任何渴望近距离观察外星世界的人去年都收到了一份令人兴奋的礼物。8月份，研究人员报告说，他们发现了一颗可能适合居住的、地球大小的行星，它围绕着太阳最近的恒星邻居——比邻星运行，它距离我们仅1.3秒差距，或4.22光年。
这是一个诱人的——有些人可能会说无法抗拒的——目的地。向这颗名为比邻星b的行星发射探测器，将使人类首次看到太阳系以外的世界。“如果我们能够到达最近的恒星系统，那显然将是人类的一大进步，” 加利福尼亚州帕萨迪纳行星学会的科学技术主管布鲁斯·贝茨说。传回的数据可以揭示外星世界是否提供了生命所需的正确条件，甚至可以揭示是否有生物居住。
到达比邻星b的想法不仅仅是科幻小说。事实上，在发现这颗系外行星的几个月前，一群商界领袖和科学家就迈出了访问被认为是比邻星家园的半人马座阿尔法星系的第一步。他们宣布了突破摄星计划，这是一项由俄罗斯投资者尤里·米尔纳提供1亿美元支持的努力，旨在大幅加速太空探测器的研发，该探测器可以完成这次旅行。当发现比邻星b时（G. Anglada-Escudé等. Nature 536, 437–440; 2016），该项目获得了一个更加诱人的目标。
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到达那里并非易事。尽管比邻星b的名字如此，但它仍然比任何人类制造的物体所到达的距离远了近2000倍。为了在科学家的一生工作时间内到达那里，探测器必须达到大约五分之一的光速，并在我们自己的太阳系和星际空间中导航一条穿越看不见的碎片的危险路径。然后，它需要在以每秒60,000公里的速度飞越比邻星系统期间收集有用的数据，并将信息传回4光年外的地球。这一切都构成了一项艰巨的工程挑战，但项目研究人员表示这是可能的，并且现在正在朝着这个目标迈进。
激光推进探测器可以在五十年内完成前往系外行星比邻星b的星际之旅。自然视频将找出方法。
其他团队也在瞄准附近的恒星，但没有一个团队拥有突破摄星计划的动力或资金。即使是未参与摄星计划的天体物理学家也认为，由于科学家发表了许多关于星际旅行的概念论文，它在未来几十年内最有可能进行星际任务。“摄星计划吸取了所有这些概念的精华，并将它们组合成新的东西，” 纽约市哥伦比亚大学的天体物理学家卡莱布·沙夫说，他不是摄星计划团队的成员。
任务负责人计划在几个月内开始资助技术开发项目，目标是在未来20年内发射一批微型激光推进探测器。负责人希望这项工作最终将耗资约100亿美元，并再花费20年到达半人马座阿尔法星。
发射
任何像突破摄星计划这样的任务中，第一个真正具有挑战性的步骤是将航天器加速到星际速度。加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的天体物理学家、该项目咨询和管理委员会的成员菲利普·卢宾说，传统的火箭是不可能的，因为它们无法以燃料的形式储存足够的化学能。“化学可以把你带到火星，”他说，“但它不会把你带到恒星。”
因此，摄星计划专注于利用光。自二十世纪初以来，科学家们已经知道光携带动量并可以推动物体。日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和行星学会的研究人员已经在太空中通过发射由阳光推进的大型帆来证明了这一点。但是，太阳的光不足以将飞船加速到半人马座阿尔法星；贝茨说，这将需要一个巨大的、笨重的帆，他在2015年领导了一个团队部署了一个32平方米的太阳帆。
摄星计划评估了20多种太阳系以外的推进想法，但“几乎所有”的想法似乎都遥不可及，该项目的执行董事皮特·沃登说。他们选定了一个卢宾提出的想法，涉及激光。2015年，卢宾制定了一项在20年内将航天器送往半人马座阿尔法星的概念路线图(P. Lubin J. Br. Interplanet. Soc. 69, 40–72; 2016)。他建议使用地球上的激光阵列来产生足够强大的光束，以推进小型光帆。
自然，2017年2月1日，doi:10.1038/542020a
摄星计划团队计划使用传统火箭将其探测器送入轨道。然后，地球上的100吉瓦激光阵列将连续向光帆发射数分钟，足以将其加速到每秒60,000公里。
摄星计划的负责人承认，他们依赖于激光行业的突破。一百吉瓦将比当今最大的连续激光器强大一百万倍，后者输出数百千瓦。解决这一差距的一种方法是将来自至少一公里宽的阵列中的数亿个功率较低的激光束的光组合起来。但是，所有光束都需要彼此同相，以便它们的光波相加而不是相互抵消——这使得激光成为最需要开发的任务技术之一。
飞船
摄星计划飞船的外观将与以往发射到太空的任何东西都不一样。想象一下，在直径约4米的圆形或方形帆的中心，有一个大约一厘米宽的芯片上装着一小部分电子设备、传感器、推进器、摄像头和一个电池——所有这些加起来只有一克重。航天器越轻，给定的力就能加速得越快。
为了最大限度地提高速度并最大限度地减少激光造成的损害，光帆需要反射几乎所有入射光，尽管它可能让一些光线通过。合适材料已经存在，它们是电气绝缘体的薄层，可以反射高达99.999%的入射光，接近所需的阈值。但是，研究人员需要增加这种奇异材料的产量并降低其成本。他们还需要研究这种材料将如何响应所需的强光水平，这可能会产生无法预测的光学效应。
在加速阶段，光帆需要保持非常平坦，并主动感知和补偿激光束中的缺陷，以便航天器保持在轨道上；即使早期的轻微偏差也可能使其走向完全不同的轨迹。一种方法是让光帆旋转，产生离心力，使其绷紧，并使光束不规则性在光帆区域内平均分布。JAXA已经展示了一种旋转太阳帆，沃登说，这个概念对于摄星计划来说“看起来非常有希望”。
无论设计如何，光帆都必须坚固。100吉瓦的激光束将猛烈撞击它，产生数万倍于物体在地球上因重力而感受到的加速度。沃登指出，炮弹在军事测试中已经承受住了这种力量，但是持续时间不到一秒钟——而不是激光将轰击该设备几分钟。
摄星计划的计划将建立在数量上的优势。航天器将很小且成本相对较低，因此该项目可以每天发射一个或多个，甚至可以承受损失其中的一些。
沃登说，探测器的开发将分阶段进行。第一步是建立一个原型系统，该系统将加速到每秒约1000公里——不到摄星计划计划速度的2%——总成本在5亿美元到10亿美元之间。
旅程
激光将在几分钟后关闭，一旦探测器达到五分之一的光速并飞行了数百万公里——大约是从地球到月球距离的五倍。接下来的20年，理想情况下，将是枯燥的。
这个阶段最大的风险是与星际介质中的尘埃斑点、氢原子和其他粒子碰撞造成的严重损坏。额外的危险来自宇宙射线——以接近光速的速度穿过太空的原子核，可能会降解关键电子设备。没有人确切知道有多少粒子充满了星际空间，或者它们有多大，但是摄星计划计划通过在前方边缘覆盖至少一毫米厚的铍铜等材料涂层来保护其航天器免受潜在的碰撞。
即使它没有摧毁航天器，撞击也可能使探测器偏离轨道。因此，探测器将需要自己的导航和转向系统，由一种使用钚-238等放射性同位素的轻型发电机供电——本质上是一个核电池。这些系统需要包括监控恒星位置并通过发射光子推进器调整航向的初步人工智能。“我对人们的说法是，你真的希望芯片上有尼尔·阿姆斯特朗或查克·耶格尔，以实时做出所有关键决策，”沙夫说。
任务设计人员将无法消除所有风险，尤其是来自星际介质中尚未知的物体的风险。这就是为什么他们正在考虑一旦原型推进系统建成，就立即发射探索性探测器的原因。这些早期的飞行器可以对星际介质进行采样并报告，以填补天文学家对这一环境的理解空白。
飞越
如果一切按计划进行，大约在2060年左右，摄星计划飞行器上的计算机将唤醒，向地球发送定期状态检查，检测到它正在接近比邻星，并为飞越做好准备。
专家们一致认为，首要任务是拍照。卢宾估计，飞行器应该能够到达距比邻星b一个天文单位（从地球到太阳的距离）的范围内。即使从那个距离，照片也可以揭示这颗行星是否像我们一样是水汪汪的和绿色的，还是像火星一样荒凉的。它还可以捕捉到诸如山脉和陨石坑等大型特征。
如果行星有大气层，一个车载光谱仪可以探测其大气层的组成。研究人员将寻找诸如氧气、甲烷和更复杂的碳氢化合物之类的分子，这些分子是可能的生命迹象。仪器可能还会尝试测量行星的磁场或其他变量，这些变量可以揭示比邻星b是否具有生命滋养环境或更恶劣的环境。
当飞行器到达比邻星时，将无法减速，它会在大约两个小时内飞掠过整个恒星系统。 这将对其测量仪器的设计带来挑战。 之前从未有任何相机以五分之一光速的速度拍摄过照片。 飞行器的相机必须旋转才能将行星保持在视野中，而地球上的计算机必须校正因相对论效应以及相机与行星之间的角度和距离变化而造成的图像失真。
接下来将是“星际航行”计划最艰巨的挑战之一，领导者承认他们尚未解决这个问题：如何使用大约 1 瓦的激光束将比邻星的数据传输回渴望的天文学家，同时还要使信号足够强，以便在 4.22 年的旅程后在地球上被检测到。 卢宾设想在地球上建造一个公里宽的探测器阵列，可能占据与加速激光器相同的区域，以捕获飞行器微弱的传输信号。
机载核电池将为电容器供电，使其光束尽可能明亮，类似于相机闪光灯。 并且有可能将太阳帆用作天线以增强信号。 但是，光束仍然会是浩瀚太空黑暗中的一丝微弱光芒。
另一种方法是发射一系列飞行器作为中继，这样每个芯片的信号可能只需要传播十分之一秒差距（0.2 光年），而不是全部距离。 但卢宾和其他人指出，这样的方案会造成更多的复杂性。
一项新的能力
未参与该项目的专家表达了谨慎的乐观和怀疑。“我认为在扩大激光功率和其他所需技术方面存在巨大挑战，”华盛顿特区光学学会首席科学家格雷戈里·夸尔斯说。但他补充说，如果对光学和材料的研究有适当的私人和公共资金投入，“投资就会有回报”。
一些人说，“星际航行”计划的极简主义方法使其有别于以往不太可信的提案。“我看不到任何明显完全不可能的事情，”沙夫说。“他们谈论的不是一艘去往另一颗恒星的大型飞船。”
然而，其他人担心多重技术障碍可能难以克服。“我对这件事的近期未来持谨慎态度，”贝茨说。“任何一个环节似乎都是可以克服的，直到你意识到你必须把它塞进一个小的、微小的、低质量的物体中。”
即使“星际航行”计划到达比邻星 b，太空探索组织“伊卡洛斯星际”总裁安德烈亚斯·齐奥拉斯认为，它也不太可能提供有用的数据。“它成功地从半人马座阿尔法星发回图像的机会非常渺茫，甚至不存在，”他说。“你不可能让那么小的飞行器携带足够的能量来传输回信号。” 尽管他的组织也在研究激光推进，但他专注于一个核聚变驱动的任务，该任务可以在一个世纪内向半人马座阿尔法星发送一个更大的航天器——他说这将足够强大，可以传送回有用的数据，甚至可能运送机器人探测器。
在任何飞行器升空之前，天文学家无需将任何东西发送到我们近邻之外，就可以了解很多关于比邻星 b 的信息。詹姆斯·韦伯太空望远镜计划于 2018 年底发射，并且未来十年可能会有几台巨型地球望远镜上线。利用这些望远镜，天文学家或许能够确定这颗系外行星的大气层是否包含生命迹象。
但正如任何探险家都会说的那样，没有什么可以替代去往新地方。例如，2015 年对冥王星的飞掠揭示了地球上最强大的望远镜都无法看到的冰山和氮冰川。同样，比邻星 b 和其他附近的每颗系外行星都可能隐藏着只有近距离接触才能看到的惊喜。
任务支持者说，这也会有更广泛的回报。“我认为‘星际航行’计划是关于能力的发展，”伦敦星际研究倡议主任、该项目顾问委员会成员凯尔文·朗说。“这就像去月球一样。” 他说，一个有能力将航天器推向比邻星的激光阵列可以在几天内将探测器发送到太阳系的任何地方，或者在一两周内发送到星际介质。
这种能力可能会使太阳系探索成为常态。“你觉得‘亚马逊’次日送达火星怎么样？”卢宾说。“这将彻底改变我们探索的方式。”
本文经许可转载，首次发表于2017 年 2 月 1 日。