美麗的比鄰星b的藝術構想圖是我們的美好想像。 但在一代或兩代人的時間裡， 下一次太空探索任務將向我們展示一個真實的比鄰星
2016年8月， 天文學家給想要近距離觀察外星世界的人送了一份激動人心的大禮， 研究報告稱發現了一顆繞著離太陽最近的鄰居——比鄰星旋轉的行星， 一顆與地球大小相似的疑似宜居行星， 它離我們僅僅只有1.3秒差距或者說4.22光年。
這是人類向外太空進軍的一個非常誘人， 甚至是不可抗拒的目標。 向這顆被稱為比鄰星b的星球派遣太空船， 人類將首次看到太陽系外的行星世界。 “抵達離我們最近的恒星系統， 意味著人類向太空進軍又邁出了新的一大步。 ”美國加州行星協會科技部主席布魯斯•貝茲（Bruce Betts）說道。 屆時從太空傳回的資料可提供這個外星世界是否具備生命生存的條件， 甚至是否已有生命存在的資訊。
然而， 要抵達那裡並非易事， 儘管比鄰星b的名字聽起來就像地球的隔壁鄰居， 但事實上它與地球的距離幾乎是迄今為止人類發射人造物體進入太空最遠處的2000倍。 科學家必須以光速1/5的速度衝破太陽系和星際空間無數太空碎片帶來的重重危險， 才能在有生之年抵達比鄰星b， 另外還要以每秒6萬公里的速度低空飛越比鄰星星系時收集有用資料並從4光年之外傳回地球。 這一切都是巨大的工程挑戰， 但研究人員稱該計畫是可行的， 目前正在朝著這一方向努力。
其他研究團體也將目標瞄準了太陽系附近的恒星系統， 但都沒有“突破攝星”計畫的動力——或者說資金。 沒有參與Starshot計畫的天體物理學家也認為這是未來幾十年裡最有現實可能性的星際任務。
“突破攝星”任務的策劃者計畫在未來幾個月的時間內開始投資技術開發專案， 具體目標是在未來20年內推出鐳射推進的微型太空探索艦隊， 該計畫將耗資約100億美元， 然後再用20年時間抵達半人馬座阿爾法星系。
發 射
“突破攝星”這樣的太空任務， 第一個真正的挑戰是要將航天器加速到星際速度， 傳統的火箭不可能做到， 這是因為它們無法存儲足夠多的燃料形式的化學能。 專案諮詢和管理委員會成員、加利福尼亞大學的天體物理學家菲力浦•盧賓（Philip Lubin）說道， “化學能燃料可以將我們送到火星， 但到不了其他恒星。 ”
因此， 攝星計畫將解決這個問題的希望放在了如何駕馭光能上。 自20世紀初開始， 科學家就已經知道光有動能， 可以推動物體。 日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）和行星協會的研究人員向太空發射了由陽光推進的大型光帆，
為此Starshot計畫對20多種走出太陽系動力推進系統的點子進行了評估， 但“幾乎所有”的設想都可望而不可及， 專案執行主任皮特•沃頓（Pete Worden）說道。 最後選定的是盧賓提出的鐳射推進技術。 2015年曾推出20年內發送一艘航天器抵達半人馬座阿爾法星路線圖的盧賓建議， 在地球上用一個鐳射陣列生成足夠強大的推力來推動一個較小的光帆。
Starshot團隊計畫用常規火箭將探測器送入軌道， 然後在地球上用100千兆瓦的鐳射陣列幾分鐘時間內持續不斷地為光帆提供動力，足以讓光帆加速到每秒6萬公里。Starshot項目策劃者坦承，他們正在期待鐳射行業的突破。100千兆瓦的鐳射比今天最大的數百千瓦連續發射的鐳射要強大100萬倍。彌補這一差距的方法是將分佈在至少1公里範圍內的億萬雷射光束集合起來。但光波要能相互補充，而不是相互抵消，這是一個需要投入大量研發力量的艱巨任務。
航天器
Starshot計畫發射的航天器與之前發射進入太空的航天器完全不同，它是一個由電子器件、感測器、推進器、相機和電池組成的只有大概1釐米見方的晶片，置於寬約4米的圓形或方形光帆的中間。航天器總重量只有1克，重量越輕，給定的推力可以加速的速度就越快。
為從雷射光束獲得最大化的速度以及最小化的光能損失，光帆需要反射幾乎所有的入射光。合適的材料已經有了，那就是薄層的電絕緣器，可反射多達99.999%的入射光，接近於需要的閾值。研究人員還需要研究材料對所需強光水準的反應，材料的反應有可能產生意料之外的光學效應。
計畫飛往比鄰星b的航天器，類似於“突破攝星”創建人尤裡•米爾納手中所持的晶片
加速階段光帆需要保持平穩，積極感應雷射光束的缺陷並做出補償，這樣航天器才能保持在規定航線上，一開始即使很微小的偏差導致的軌道偏離也會失之毫釐謬以千里。一個解決方案是讓光帆不斷旋轉航行，產生將它拉緊的離心力，雷射光束若有不規則行為也可平均分攤到光帆的各個部分。JAXA已演示了一個旋轉的太陽帆，沃頓認為這個創意“看起來非常有前途”。
無論設計上如何考慮，光帆必須堅固牢靠。100千兆瓦雷射光束的擊打力是很強大的，產生的重力加速度是地球上物體所承受重力的幾萬倍。
Starshot的計畫擁有數量上的優勢。這種航天器很小，成本相對較低，因此每天可以發射一個或更多的航天器，哪怕因失敗而損失其中一些也承受得起。
探測器將分階段開發，沃頓說道。第一步是構建一個原型系統，可以加速到大約每秒1 000公里，只有Starshot計畫速度的2%，總成本在5億至10億美元之間。
太空旅途
升空幾分鐘後，鐳射系統將關閉，當探測器達到光速的1/5並走過了幾百萬公里（約地球到月球距離的5倍）時，未來20年將是一段無比沉悶的旅程。
這一階段面臨的最大風險是與太空塵埃、氫原子和其他星際介質中的粒子碰撞造成的損害，另外還有來自於宇宙射線的危險，以接近光速的速度穿越宇宙空間的原子核甚至有可能影響到航天器上重要電子器件的正常功能。沒有人確切地知道星際空間充滿了多少粒子，也不知道這些粒子會有多大，但Starshot已有了保護航天器不受太空粒子損傷的方案，他們將在航天器的前緣塗上至少1毫米厚的鈹銅塗層。
即使太空粒子不會對航天器造成破壞，一次撞擊也有可能令飛馳中的探測器偏離航向。因此，探測器將需要自己的導航和控制系統，這個系統以放射性同位素鈈-238核電池為動力。這些系統將需要基本的人工智慧，以監控恒星的位置，通過發射光子推進器調整航線。“我想說的是，晶片真正需要像尼爾•阿姆斯壯（Neil Armstrong，第一個離開地球登上月球的人）或查克•耶格爾（Chuck Yeager，二戰中的王牌飛行員，1947年成為第一個突破音速的人）這樣的人工智慧，在出現以上所述問題時做出關鍵性的決策。”沙爾夫說道。
但任務設計者不可能將所有的風險都消除掉，尤其是來自於星際介質中那些至今未知的因素。這也是他們正在考慮一旦推進系統原型建成後，就儘快發射試探性探測器的原因，早期發射的航天器可提供星際介質的樣品和報告，以填補天文學家對太空環境瞭解上的空白。
低空飛越比鄰星
如果一切按計劃進行，大約在2060年左右，Starshot航天器的機載電腦將醒來，與地球連通，進行週期性狀態檢查，並檢測到它接近比鄰星並準備低空飛越的狀態。
專家們一致認為，最高優先順序的任務將是拍照。盧賓估計航天器應該能夠飛到離比鄰星b一個天文單位的位置，即從地球到太陽的距離。即使在這樣遠的距離內，也可以拍攝到一些有價值的照片，例如，它是否像我們地球一樣是一個有水的綠色星球，還是像火星一樣貧瘠荒涼，還可以拍攝到一些大比例的地貌特徵，如山脈和隕石坑等。
機載光譜儀可以探測到這顆行星上的大氣層構成，如果它真有一個大氣層的話。研究人員將在這些成分中尋找如氧氣、甲烷以及更複雜的碳氫化合物分子，這些都是可能有生命存在的信號。通過其他一些儀器還可以嘗試檢測星球上的磁場或其他變數，以確定比鄰星b是一個擁有適合生命孕育環境的星球，還是一個不適於生命、生存環境嚴酷的星球。
航天器抵達比鄰星後沒有辦法將速度慢下來，因此它將在大約兩個小時內快速穿過這個恒星系統，這對於測量儀器的設計也是一個很大的挑戰。沒有照相機能夠在1/5光速的移動過程中將照片拍攝下來，航天器上的相機必須不停地旋轉，才能讓這顆行星一直保持在它的視域範圍內，地球上的電腦必須對相機角度變化以及與比鄰星b距離變化對圖像造成的扭曲進行校正。
專案負責人坦承，Starshot還有一個最為艱巨的挑戰尚未解決：如何通過只有約1瓦特的雷射脈衝將資料從比鄰星傳給地球上熱切期待的天文學家？又如何讓信號在經過4.22年的太空旅程之後，其強度仍然足以在地球上被檢測到？
盧賓設想在地球建立一個1公里寬的檢測器陣列，以捕捉航天器傳回來的微弱信號，這個陣列可能將佔據鐳射加速器同樣大小的一片區域。機載核電池將為電容器提供動力，使雷射光束盡可能明亮，類似於相機的閃光燈。也可能將利用光帆作為天線來增強信號，但在廣袤無邊的黑暗宇宙中，鐳射光束仍然只是一束脆弱的光。另一種辦法是，發射一系列航天器進行分程傳遞，這樣每個晶片上發出的信號可能只需傳送1/10秒差距（0.2光年）的距離，而無須全程傳送。但盧賓等人提請注意的是，這個計畫也可能產生更多的複雜問題。
太空探索新能力
沒有參與這個專案的一些專家對此喜憂參半。在增加鐳射功率和其他必需技術方面，“我認為還有許多巨大的挑戰。”華盛頓特區光學學會首席科學家葛列格里•誇爾斯（Gregory Quarles）說道。但他補充說，大量私人和公共投資將促進光學和材料領域內的研究，“這些投資終將會有回報。”
Starshot的微型航天器與以往執行太空飛行任務的航天器完全不同。“沒有什麼是完全不可能的，他們的計畫不是要向另一顆恒星發射一艘大型飛船。”沙爾夫說道。
然而，另外一些人擔心多重技術障礙是不可逾越的。“對這項計畫的近期前景我持謹慎態度，”貝茲說，“任何一項技術似乎都可以實現，但當你意識到需要將這麼多東西都塞進一個一點點小的很輕的東西裡時，問題就不那麼簡單了。”
太空探索組織主席安德莉亞斯•茲拉斯（Andreas Tziolas）認為，即使Starshot能夠到達比鄰星b，也有可能無法提供有用的資料。“從半人馬座阿爾法星將圖像發回地球的成功率幾近於無，如此小的航天器不可能攜帶傳輸信號的足夠動力。”他說。他的團隊也在研究鐳射推進，但他目前正致力於一個以核聚變為動力的任務，該任務可在一個世紀的時間內發送大的航天器到半人馬座阿爾法星，一個強大到足以發回有用資料甚至可以運送機器人探測器的航天器。
在向我們的近鄰比鄰星b發送航天器之前，天文學家仍然可以對它有更多的瞭解。定於2018年年底發射的詹姆斯•韋伯太空望遠鏡以及幾個大型地面望遠鏡可能將在未來10年裡開始工作。通過這些望遠鏡，天文學家可以確定這個系外行星的大氣層裡是否有生命存在的跡象。
但正如任何太空探索者都會說的那樣，沒有什麼能夠比得上親臨某處進行實地探察。例如2015低空飛越冥王星任務發現了這顆星球上的大冰山和含氮冰川，這些是地球上最強大的望遠鏡都看不到的。同樣，比鄰星b以及其他近地系外行星可能給我們帶來的驚喜也只有與它們進行親密接觸之後才有機會一睹真容。
任務的支持者稱，這項計畫還將有更大的回報。“在我看來，Starshot是我們進軍太空能力的拓展，就像當年進軍月球的意義一樣。”專案顧問委員會成員、倫敦星際研究團體負責人開爾文•朗（Kelvin Long）說道。將航天器送往比鄰星的鐳射陣列推進技術可在幾天之內將探測器發送到太陽系內的任何地方或在一兩個星期內發送到太空中含有大量星際介質的地方，他說。
這種能力可以令人類對太陽系的探索成為常規活動。“這將是人類太空探索能力的一個巨大的進步。”盧賓說道。
方陵生 / 編譯 世界科學（World-Science）
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然後在地球上用100千兆瓦的鐳射陣列幾分鐘時間內持續不斷地為光帆提供動力，足以讓光帆加速到每秒6萬公里。Starshot項目策劃者坦承，他們正在期待鐳射行業的突破。100千兆瓦的鐳射比今天最大的數百千瓦連續發射的鐳射要強大100萬倍。彌補這一差距的方法是將分佈在至少1公里範圍內的億萬雷射光束集合起來。但光波要能相互補充，而不是相互抵消，這是一個需要投入大量研發力量的艱巨任務。航天器
Starshot計畫發射的航天器與之前發射進入太空的航天器完全不同，它是一個由電子器件、感測器、推進器、相機和電池組成的只有大概1釐米見方的晶片，置於寬約4米的圓形或方形光帆的中間。航天器總重量只有1克，重量越輕，給定的推力可以加速的速度就越快。
為從雷射光束獲得最大化的速度以及最小化的光能損失，光帆需要反射幾乎所有的入射光。合適的材料已經有了，那就是薄層的電絕緣器，可反射多達99.999%的入射光，接近於需要的閾值。研究人員還需要研究材料對所需強光水準的反應，材料的反應有可能產生意料之外的光學效應。
計畫飛往比鄰星b的航天器，類似於“突破攝星”創建人尤裡•米爾納手中所持的晶片
加速階段光帆需要保持平穩，積極感應雷射光束的缺陷並做出補償，這樣航天器才能保持在規定航線上，一開始即使很微小的偏差導致的軌道偏離也會失之毫釐謬以千里。一個解決方案是讓光帆不斷旋轉航行，產生將它拉緊的離心力，雷射光束若有不規則行為也可平均分攤到光帆的各個部分。JAXA已演示了一個旋轉的太陽帆，沃頓認為這個創意“看起來非常有前途”。
無論設計上如何考慮，光帆必須堅固牢靠。100千兆瓦雷射光束的擊打力是很強大的，產生的重力加速度是地球上物體所承受重力的幾萬倍。
Starshot的計畫擁有數量上的優勢。這種航天器很小，成本相對較低，因此每天可以發射一個或更多的航天器，哪怕因失敗而損失其中一些也承受得起。
探測器將分階段開發，沃頓說道。第一步是構建一個原型系統，可以加速到大約每秒1 000公里，只有Starshot計畫速度的2%，總成本在5億至10億美元之間。
太空旅途
升空幾分鐘後，鐳射系統將關閉，當探測器達到光速的1/5並走過了幾百萬公里（約地球到月球距離的5倍）時，未來20年將是一段無比沉悶的旅程。
這一階段面臨的最大風險是與太空塵埃、氫原子和其他星際介質中的粒子碰撞造成的損害，另外還有來自於宇宙射線的危險，以接近光速的速度穿越宇宙空間的原子核甚至有可能影響到航天器上重要電子器件的正常功能。沒有人確切地知道星際空間充滿了多少粒子，也不知道這些粒子會有多大，但Starshot已有了保護航天器不受太空粒子損傷的方案，他們將在航天器的前緣塗上至少1毫米厚的鈹銅塗層。
即使太空粒子不會對航天器造成破壞，一次撞擊也有可能令飛馳中的探測器偏離航向。因此，探測器將需要自己的導航和控制系統，這個系統以放射性同位素鈈-238核電池為動力。這些系統將需要基本的人工智慧，以監控恒星的位置，通過發射光子推進器調整航線。“我想說的是，晶片真正需要像尼爾•阿姆斯壯（Neil Armstrong，第一個離開地球登上月球的人）或查克•耶格爾（Chuck Yeager，二戰中的王牌飛行員，1947年成為第一個突破音速的人）這樣的人工智慧，在出現以上所述問題時做出關鍵性的決策。”沙爾夫說道。
但任務設計者不可能將所有的風險都消除掉，尤其是來自於星際介質中那些至今未知的因素。這也是他們正在考慮一旦推進系統原型建成後，就儘快發射試探性探測器的原因，早期發射的航天器可提供星際介質的樣品和報告，以填補天文學家對太空環境瞭解上的空白。
低空飛越比鄰星
如果一切按計劃進行，大約在2060年左右，Starshot航天器的機載電腦將醒來，與地球連通，進行週期性狀態檢查，並檢測到它接近比鄰星並準備低空飛越的狀態。
專家們一致認為，最高優先順序的任務將是拍照。盧賓估計航天器應該能夠飛到離比鄰星b一個天文單位的位置，即從地球到太陽的距離。即使在這樣遠的距離內，也可以拍攝到一些有價值的照片，例如，它是否像我們地球一樣是一個有水的綠色星球，還是像火星一樣貧瘠荒涼，還可以拍攝到一些大比例的地貌特徵，如山脈和隕石坑等。
機載光譜儀可以探測到這顆行星上的大氣層構成，如果它真有一個大氣層的話。研究人員將在這些成分中尋找如氧氣、甲烷以及更複雜的碳氫化合物分子，這些都是可能有生命存在的信號。通過其他一些儀器還可以嘗試檢測星球上的磁場或其他變數，以確定比鄰星b是一個擁有適合生命孕育環境的星球，還是一個不適於生命、生存環境嚴酷的星球。
航天器抵達比鄰星後沒有辦法將速度慢下來，因此它將在大約兩個小時內快速穿過這個恒星系統，這對於測量儀器的設計也是一個很大的挑戰。沒有照相機能夠在1/5光速的移動過程中將照片拍攝下來，航天器上的相機必須不停地旋轉，才能讓這顆行星一直保持在它的視域範圍內，地球上的電腦必須對相機角度變化以及與比鄰星b距離變化對圖像造成的扭曲進行校正。
專案負責人坦承，Starshot還有一個最為艱巨的挑戰尚未解決：如何通過只有約1瓦特的雷射脈衝將資料從比鄰星傳給地球上熱切期待的天文學家？又如何讓信號在經過4.22年的太空旅程之後，其強度仍然足以在地球上被檢測到？
盧賓設想在地球建立一個1公里寬的檢測器陣列，以捕捉航天器傳回來的微弱信號，這個陣列可能將佔據鐳射加速器同樣大小的一片區域。機載核電池將為電容器提供動力，使雷射光束盡可能明亮，類似於相機的閃光燈。也可能將利用光帆作為天線來增強信號，但在廣袤無邊的黑暗宇宙中，鐳射光束仍然只是一束脆弱的光。另一種辦法是，發射一系列航天器進行分程傳遞，這樣每個晶片上發出的信號可能只需傳送1/10秒差距（0.2光年）的距離，而無須全程傳送。但盧賓等人提請注意的是，這個計畫也可能產生更多的複雜問題。
太空探索新能力
沒有參與這個專案的一些專家對此喜憂參半。在增加鐳射功率和其他必需技術方面，“我認為還有許多巨大的挑戰。”華盛頓特區光學學會首席科學家葛列格里•誇爾斯（Gregory Quarles）說道。但他補充說，大量私人和公共投資將促進光學和材料領域內的研究，“這些投資終將會有回報。”
Starshot的微型航天器與以往執行太空飛行任務的航天器完全不同。“沒有什麼是完全不可能的，他們的計畫不是要向另一顆恒星發射一艘大型飛船。”沙爾夫說道。
然而，另外一些人擔心多重技術障礙是不可逾越的。“對這項計畫的近期前景我持謹慎態度，”貝茲說，“任何一項技術似乎都可以實現，但當你意識到需要將這麼多東西都塞進一個一點點小的很輕的東西裡時，問題就不那麼簡單了。”
太空探索組織主席安德莉亞斯•茲拉斯（Andreas Tziolas）認為，即使Starshot能夠到達比鄰星b，也有可能無法提供有用的資料。“從半人馬座阿爾法星將圖像發回地球的成功率幾近於無，如此小的航天器不可能攜帶傳輸信號的足夠動力。”他說。他的團隊也在研究鐳射推進，但他目前正致力於一個以核聚變為動力的任務，該任務可在一個世紀的時間內發送大的航天器到半人馬座阿爾法星，一個強大到足以發回有用資料甚至可以運送機器人探測器的航天器。
在向我們的近鄰比鄰星b發送航天器之前，天文學家仍然可以對它有更多的瞭解。定於2018年年底發射的詹姆斯•韋伯太空望遠鏡以及幾個大型地面望遠鏡可能將在未來10年裡開始工作。通過這些望遠鏡，天文學家可以確定這個系外行星的大氣層裡是否有生命存在的跡象。
但正如任何太空探索者都會說的那樣，沒有什麼能夠比得上親臨某處進行實地探察。例如2015低空飛越冥王星任務發現了這顆星球上的大冰山和含氮冰川，這些是地球上最強大的望遠鏡都看不到的。同樣，比鄰星b以及其他近地系外行星可能給我們帶來的驚喜也只有與它們進行親密接觸之後才有機會一睹真容。
任務的支持者稱，這項計畫還將有更大的回報。“在我看來，Starshot是我們進軍太空能力的拓展，就像當年進軍月球的意義一樣。”專案顧問委員會成員、倫敦星際研究團體負責人開爾文•朗（Kelvin Long）說道。將航天器送往比鄰星的鐳射陣列推進技術可在幾天之內將探測器發送到太陽系內的任何地方或在一兩個星期內發送到太空中含有大量星際介質的地方，他說。
這種能力可以令人類對太陽系的探索成為常規活動。“這將是人類太空探索能力的一個巨大的進步。”盧賓說道。
方陵生 / 編譯 世界科學（World-Science）
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