星际旅行，这个科幻小说中经久不衰的主题，如果资金充裕，其实已经是科学事实。只需大约1亿美元，客户就可以购买顶级的商业火箭，直接飞出太阳系。但关键是要有耐心。如果明天发射一枚火箭前往最近的目的地——比邻星b，这是一颗最近在距离我们约四光年的半人马座阿尔法三星系统中发现的潜在宜居地球质量行星——那枚火箭需要80,000年才能到达。
与其花费1亿美元购买一艘前往恒星的慢船，不如说，去年四月，亿万富翁企业家尤里·米尔纳宣布，他将用同样的金额开辟一条在人类寿命内抵达半人马座阿尔法星的新路径。这项名为“突破摄星”的倡议呼吁在很大程度上放弃火箭，转而使用“光帆”——在太空中展开后，可以通过激光束推进到极高速度的薄如蝉翼的反射片。“摄星”的初步计划包括最早在2040年代使用传统火箭将数千个重达一克、宽四米的光帆送入地球轨道。每个光帆都将嵌入一个一厘米宽的芯片，其中包含摄像头、传感器、推进器和电池。从地球轨道出发，每个轻如鸿毛的航天器都将受到来自地面100吉瓦激光阵列的数分钟脉冲的推动，以20%的光速飞向半人马座阿尔法星。星际穿越只需20多年，因此探测器最早可在2060年代到达半人马座阿尔法星。
但是，如此高的速度也意味着高昂的代价。即使是最保守的“摄星”成本估算也远远超过了米尔纳最初的1亿美元投资——这个长达数十年的项目很容易耗资100亿美元，甚至可能更多，这主要是由于建造地面激光阵列的巨额费用。可能需要政府援助和国际合作。此外，即使是能幸存20年航行的光帆，也将在瞬间穿过半人马座星系，速度之快，它们只有几秒钟的时间来捕捉来自比邻星b以及可能存在的任何邻近行星的高质量特写图像和其他数据。当它们更深入地坠入恒星之间的黑暗时，光帆将尝试使用功率不高于普通手机信号的激光束将它们珍贵的发现传回地球。
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更慢的星际航行
一些批评家认为，这些问题使得“摄星”急于前往半人马座阿尔法星看起来像是一项糟糕的投资。“当我们读到[摄星]时，我们发现花费如此多的钱进行一次飞掠任务是浪费的，该任务在途中花费数十年，而拍摄几张快照的时间只有几秒钟，”德国的独立研究员迈克尔·希普克说。希普克与哥廷根马克斯·普朗克太阳系研究所的天体物理学家勒内·海勒合作，开发了一种替代任务方案，他说该方案可以用一小部分成本提供更高的科学回报。海勒和希普克没有使用数十亿美元的激光阵列来将小型光帆加速到相对论速度进行一次性飞掠，而是建议仅使用星光来发送更大的光帆进行更悠闲的旅程，这将使它们到达半人马座阿尔法星系统中的所有三颗恒星，并将它们停留在那里的轨道上。他们的研究结果发表在2月1日出版的《天体物理学杂志快报》上。
他们提案的关键不仅在于利用阳光加速外出的光帆，还在于依靠半人马座阿尔法三星的旅程终点的光和引力。海勒和希普克计算出，一种密度低得令人难以置信的光帆，重量约为100克，但展开面积达100,000平方米（约15个足球场！），就可以做到这一点。根据材料科学的快速进展，这种光帆的构造似乎是可能的。通过逐步调整其角度，使其在接近时吸收来自恒星的更多辐射压力，该光帆可以释放足够的速度以被捕获到系统内的轨道中。
为了到达潜在宜居行星比邻星b，这些“光引力”辅助反而需要首先将光帆猛烈地靠近明亮的、类似太阳的恒星半人马座阿尔法星A和B——即使它们比比邻星b的较小、较暗的宿主恒星比邻星还要远近两万亿公里。这是因为来自半人马座阿尔法星A和B的更大辐射压力提供了更大的减速，从而为任何以该系统为目标的光帆提供了更快的接近速度。但是双星的辐射压力有其局限性；如果海勒和希普克的100,000平方米光帆的入射速度超过光速的4.6%，它将简单地 overshoot 该系统。总而言之，他们设想他们的光帆到达半人马座阿尔法星A和B的旅程将近一个世纪，然后是另外半个世纪的航行到达最终目的地——比邻星周围的稳定轨道。
海勒说：“您需要旅行的时间大约是‘摄星’20年任务的七倍，但作为回报，您将获得数年或数十年的近距离探索，而不是只有几秒钟。” 通过比较这两种情况下探索时间与旅行时间的比率，海勒补充说，“‘摄星’可能只用任务寿命的百万分之一来进行原位科学，而我们可能用大约百分之一的寿命——或者大约多一百万倍。” 此外，通过使用阳光发射光帆，新提案避免了对数十亿美元的吉瓦级激光阵列的需求。
即便如此，他们提出的150年航行也不可能明天开始。海勒和希普克的提案利用了半人马座阿尔法星的罕见配置，这种配置每80年才出现一次，那时它们的轨道都在一个平面上对齐，该平面与来自我们太阳系的任何入射探测器的轨迹相交。半人马座阿尔法星的80年三重对齐下一次发生在2035年，对于地球上任何可以想象得到的光帆来说，都太早了，不可能接近该系统；相反，海勒和希普克建议，更现实的目标可能是后续的对齐，即2115年。
海勒说，尽管那很遥远，但时机可能会更糟：由于恒星较小的辐射压力和制动能力，直接向比邻星发射光帆将需要慢得多的星际速度，从而将总旅行时间增加到近一千年。
耐心，请
对于希普克来说，即使他永远看不到它的回报，最终在半人马座阿尔法星轨道上结束的多代人任务也是值得等待的。“我们的子孙后代将收到来自这些太空探测器的惊人照片。想象一下外星河流、火山，甚至可能还有外星生命！” 希普克说，选择一个世纪时间尺度的任务也为探索其他附近的明亮恒星打开了可能性。例如，质量巨大的天狼星距离我们只有半人马座阿尔法星的两倍多一点——但由于它比我们的太阳亮约25倍，因此它提供了更强的辐射压力制动效果，允许光帆以更高的速度接近。如果说有什么不同的话，那就是向许多附近的恒星轨道发送光帆的可能性表明，这是一个自然的下一代、更长期的后续行动，以配合“摄星”更紧迫的任务目标。
尽管有这些好处，哈佛大学天文学家、“突破摄星”科学顾问委员会主席艾维·勒布仍然不相信这个替代提案比“摄星”使用吉瓦级激光器将较小的光帆加速到恒星的计划更具现实优势。“在使用星光达到相对论速度时，必须使用极薄的光帆，”勒布说，他指出阳光较弱的推动力需要相应密度较低的光帆。希普克和海勒说，他们的光帆理论上可以用轻质、高强度材料（如石墨烯）制成，但勒布质疑制造和使用几原子厚、100,000平方米的石墨烯片用于星际探测器是否真的比建造大型激光阵列更容易。“这样的表面比它旨在反射的光的波长薄几个数量级，因此其反射率会很低，”勒布说。“在将重量减少如此多的数量级的同时，又保持光帆材料的刚性和反射率，这似乎是不可行的。” 换句话说，100,000平方米的石墨烯光帆可能被证明太脆弱而无法真正飞行。此外，“摄星”计划发射数千个光帆，而不仅仅是一个——即使每次成功的星际穿越只产生几秒钟的特写观测结果，它们也可以在多次连续飞掠中迅速积累。
勒布说，也许最大的问题是，雄心勃勃的多代人项目是否真的能在其不可避免地遭遇人类死亡的情况下幸存下来。“如果忽略旅程的持续时间，人们总是可以使用传统火箭，并以非常适中的成本在80,000年内到达半人马座阿尔法星，”他说。“但是从事‘摄星’工作的人更有雄心壮志。我们希望在我们的有生之年到达那里。”