恆星際旅行
恆星際旅行，是一個用來指在恆星或行星系統之間進行假想性的載人或無人太空旅行的名詞。恆星際旅行的難度是遠高於行星際航行的；太陽系以內的行星間的距離是不多於三十個天文單位的，而恆星間的距離卻往往是以百上千個天文單位計，而且很多時是以光年作單位。由於恆星間相隔遼遠，恆星際旅行速度需要達到光速的一個相當高的百份比，或者需要很長的旅行時間；要用上數十年至五十年，甚至更久。
人類現時的太空船推進技術仍未能滿足恆星際旅行所需的速度。即使具備假想性的能達到完美效率的推進系統，所需的動能對於當今的能量生產標準依然是巨大的。此外，航天器與宇宙塵埃和氣體的碰撞可以對乘客和航天器本身造成危險的影響。
現時，人們已經提出了諸多策略來實現恆星際旅行，其中有攜帶整個生態系統的巨型架構，以至到微細的空間探測器等。人們又提出了許多不同的航天器推進系統，以滿足航天器所需的速度，其中包括了核動力推進，射束供能推進和其他基於推測性物理學的方法。
| 航天 |
|---|
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 航天主題 |
無論是對於載人或無人星際旅行，都需要滿足相當大的技術和經濟挑戰。即使是對於星際旅行最樂觀的看法，都認為恆星際旅行只能在幾十年後才可行；更常見的預測是一個世紀或更遠。然而，儘管有挑戰，如果星際旅行能夠實現，那麼將會帶來極大的科學收益。
大多數星際旅行的概念都建基在一個發達的太空物流系統，能夠將數百萬公噸的物體移動到建築或操作地點，並且需要上千兆的電力來滿足建築或動力需求（例如星縷計劃或光帆計劃中的星際旅行概念）。如果太空太陽能發電成為地球能源結構的重要組成部分，這樣的系統便可以自然地發展成熟。消費者對於高太瓦電力系統的需求將會催生一個恆星際旅行所需的每年數百萬公噸容量的太空物流系統。
恆星際旅行目標
[編輯]在距離地球20光年以內有59個恆星系統，包括着81顆可見星。以下可以作爲星際旅行計劃的主要目的地：[1]
| 恆星系統 | 圖片 | 距離 (光年) | 注 |
|---|---|---|---|
| 南門二 | .jpg) |
4.3 | 最近地球的恆星系。三顆星(G2, K1, M5)。其中 G2 爲 G2 恆星；與太陽相似。2016年八月二十四日，向外宣佈了星系中一顆類地行星比鄰星b的發現，它位於比鄰星的適居帶內。 |
| 巴納德星 |  |
6 | 小型，低光度 M5 紅矮星。距離地球第二近的恆星系。 |
| 天狼星 |  |
8.7 | 大型, 高光度 A1V 主序星與另一顆 DA2 白矮星組成的聯星系統。 |
| 天苑四 | _(pd).jpg) |
10.8 | 單個 K2 型星，比太陽小一點和冷一點。它有二道小行星帶，可能有一個巨大的和一個更小的行星，[2] 並且可能具有類似太陽系的行星系統。 |
| 天倉五 |  |
11.8 | 單個G型主序星；與太陽類近。很可能有着一個類似太陽系的行星系統；現有證據顯示，系內的五顆行星之中有二顆在適居帶。 |
| 蛇夫座V2306 |  |
~14 | 沃夫1061c 是地球尺寸的4.3倍；它可能有着岩石地形，並且是位於可能具備液態水的適居帶之內。[3] |
| 格利澤581 |  |
20.3 | 多行星系統。系統內已被證實存在的行星格利澤 581 d，與另一顆未被證實的行星格利澤 581 g，是位於該星系的適居帶。 |
| 格利澤667C |  |
22 | 有至少六顆行星的恆星系。其中有破記錄的三顆行星位於該星系的適居帶，屬於超級地球；是相當可能存在着生命的。[4] |
| 織女一 | .jpg) |
25 | 一個可能仍然在行星形成的過程中的年輕恆星系。[5] |
| TRAPPIST-1 |  |
39 | 新發現的恆星系，其中有七顆可能含有液態水的類地行星。這項發現是找尋宜居星體的重大突破。 |
現有的和近期的天文技術能夠在這些物體周圍找到行星系統，增加了它們的勘探潛力。
建議方法
[編輯]慢速無人探測器
[編輯]巨大的宇航器雖然可行但推進成本現實上是不可承受的，極微觀尺度的納米級推進器可能可以用來建造光速太空船。美國密歇根大學的研究人員正在開發納米粒子作為推進劑推進器，這種技術被稱為「納米粒子場提取推進器」。
理論物理學家加來道雄曾建議發射「智能塵埃」至太空，隨着納米技術的進步可能實現。加來道雄還注意到納米探針的將需要遭遇磁場，隕石和其他危險，所以需要發射大量納米探針，以確保至少一個可以順利到達目的地。
快速無人探測器
[編輯]納米探測器
[編輯]慢速載人太空船
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世代飛船
[編輯]世代飛船是一種星際方舟，到達目的地人類將是那些開始星際旅行的人類後裔。因為規模巨大、生物和社會學的問題，建造世代飛船目前並不可行。
冬眠飛船
[編輯]科學家和作家已經提出各種暫停生命技術，包括人類冬眠和人體冷凍技術。這些技術提供飛船可以持續長時間星際旅行的可能性。
冷凍胚胎
[編輯]機械人攜帶凍結早期人類胚胎是另一種可能性的星際旅行。太空殖民需要人造子宮，適合人類居住的類地行星，教育機械人將會把人類傳承下去。
跳島策略
[編輯]快速載人太空船
[編輯]時間膨脹
[編輯]恆久加速
[編輯]推進系統
[編輯]火箭概念
[編輯]離子推進器
[編輯]離子推力器又稱離子推進器、離子發動機，其原理是先將氣體電離，然後用電場力將帶電的離子加速後噴出，以其反作用力推動火箭。這是目前已實用化的火箭技術中，最為經濟的一種，因為只要調整電場強度，就可以調整推力，由於比沖（specific impulse）遠大於現有的其它推進技術，因此只需要少量的推進劑就可以達到很高的終端速度，而既然太空船本身不需要攜帶太多燃料，總重量大幅減少後就可以使用較小而經濟的運載火箭，節省下來的燃料更是可觀。
缺點是它的推力很小，目前的離子推進系統只能吹得動一張紙，無法使太空船脫離地表，而且即使在太空中也需要很長的時間進行加速。離子推力器目前只能應用於真空的環境中。在經過很長時間的持續推進後，將會獲得比化學推進快很多的速度，這使得離子推力器被用在遠距離的航行中。
核裂變動力
[編輯]等離子推進器
[編輯]等離子推進發動機（Plasma propulsion engine）的較狹義的定義是以推進劑（為等離子體）中的電流或電位來加速推進劑，即不單獨用電場加速推進劑者。與其區別的離子推進器則是使用高壓電網或電極來加速推進劑。
核裂變碎片火箭
[編輯]核脈衝推進
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核脈衝推進使用核爆做推力的技術。最早提出的計劃是DARPA的「獵戶座計劃」，1957年由斯塔尼斯拉夫·馬爾欽·烏拉姆提議。以慣性約束聚變為起點的新提議有著名代達羅斯計劃和遠射計劃（Project Longshot）。核脈衝推進器是以塑性核彈在運載器後爆炸產生極高比沖和極高推重比，此研究方向在當前沒有技術瓶頸。從未測試；推力板可能因振動而破損；當前最小尺寸的核彈依然相對大；小範圍使用費用昂貴；違背與核有關條約；在大氣層中使用有核輻射。
核聚變火箭
[編輯]核聚變火箭是一種以核聚變能量作為推動力的火箭。它能夠提供有效率且長程的太空推進力從而減少大量的燃料攜帶量。在未來更複雜的磁性限制以及防止等離子不穩的控制方法問世後，較小的輕型核聚變反應堆就有可能發明出來。慣性局限融合技術可以成為輕量化且有力的替代選擇。
對於太空航行來說，核聚變推進主要的優點是它有極高的比衝量，主要的可能缺點則是反應堆龐大的質量。然而，核聚變火箭會產生比核分裂火箭更少的放射線因此可以減少防護盾的需求。
反物質推進
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反物質火箭將其他任何火箭提供更高的能量密度和比沖。如果可以發明高效的反物質生產方法，並安全存儲，反物質火箭理論上可能達到光速的百分之幾十。反物質推進可以讓太空船以極高速度（光速的90％）前進，如此一來相對論導致的時間擴張將變得更明顯。
生產和儲存反物質應該可行。但是反物質湮滅將損失大部分能量，產生高能伽瑪射線，特別是中微子。
依賴外在能量來源的火箭
[編輯]非火箭概念
[編輯]巴薩德衝壓發動機
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巴薩德衝壓發動機是1960年代物理學家羅伯特·巴薩德（Robert W. Bussard）所構想的一種理論航天器推進設計。這種推進器是一種核聚變衝壓發動機，它利用巨大的電磁場（直徑從數公里至數千公里不等）作為漏斗來收集並壓縮星際物質中的氫，飛行器的高速將待反應物質強迫推入磁場中，直到壓縮的程度到達足以發生核聚變。物質轉變之後產生的巨大能量透過磁場導引至發動機的排氣方向（其方向與預計的行進方向顛倒），並透過反作用力的原理推進飛行器加速前進，而達到星際飛行的目的。
外在動力來源
[編輯]預加速燃料
[編輯]太陽帆
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太陽帆使用巨大的薄膜鏡片，以太陽的輻射壓做為太空船推進力。輻射壓不僅非常小，而且與太陽距離的平方成反比，但不同於火箭的是，太陽帆不需要燃料。推進力雖然很小，但是只要太陽繼續照耀着，太陽帆就能繼續運作。
太陽能集熱器、溫度控制面板和陽光下的樹蔭都可以視為特殊的太陽帆，太陽帆可以幫助在軌道上的太空船調整飛行姿態或是對軌道做少量的修正而無須耗費燃料。
2010年5月21日，由日本宇宙航空研究開發機構開發的試驗性太空探測器IKAROS，以日本的H-IIA火箭和破曉號金星氣象衛星以及其他四個小衛星一起發射。IKAROS 是世界第一個成功在行星際空間運作的太陽帆[6][7]。
理論性概念
[編輯]超光速
[編輯]阿庫別瑞引擎
[編輯]阿庫別瑞引擎或曲速引擎是一項推敲性的時空數學模型，可以仿造出科幻中星際旅行裏的作為跨星際的超光速航行的工具。
阿庫別瑞引擎遵守廣義相對論中愛因斯坦方程式，在這範疇下建立出一項特別的時空度規。物理學家米給爾·阿庫別瑞於1994年提出了波動方式展延空間，導致航行器（簡稱為「船」）前方的空間收縮而後方的空間擴張，前後所連成的軸向即為船想要航行的方向。船在一個區間內乘着波動前進，這區間稱為「曲速泡」，是一段平直時空。既然船在泡泡內並不真的在移動，而是由泡泡帶着船走，廣義相對論中對於物體速度不可超過局域光速的限制就派不上用場。雖然阿庫別瑞提出的度規在數學上是可行的（符合愛因斯坦的場域等式），但其計算結果可能沒有物理學上的意義，也不一定表示真的能夠建造這種裝置。阿庫別瑞引擎的假想機制暗示了負的能量密度，因此需要奇異物質才能使用。所以如果正確性質的奇異物質並不存在，則阿庫別瑞引擎就不能被建造出來。然而，在當初發表的論文上，[8]阿庫別瑞聲稱（接着一段物理學家分析蟲洞旅行的論述之後[9][10]）兩個平行的板子之間產生的卡西米爾真空可以滿足阿庫別瑞引擎的負能量需求。另一個問題是雖然阿庫別瑞度規沒有違反廣義相對論，但廣義相對論並沒有包含量子力學的機制。一些科學家因此認為，阿庫別瑞引擎理論上允許回到過去的時間旅行，雖然廣義相對論理論上也允許回到過去的時間旅行，但結合了量子力學和廣義相對論的量子重力理論指出這種時間旅行是不可能的（見時序保護猜想），因此他們否定阿庫別瑞引擎的可能性。
人造黑洞
[編輯]蟲洞
[編輯]蟲洞，或稱爲愛因斯坦-羅森橋，是連接着時空兩個區域的通道。如果將太空船沿着旋轉黑洞的旋轉軸心發射進入，原理上是可以熬過中心的重力場，並進入鏡射宇宙。
設計與研究工作
[編輯]突破攝星
[編輯]突破攝星是由突破計劃提出的太空探索項目，旨在研發名為「星片」（StarChip）的光帆飛行器，以期能以五分之一光速（每秒六萬千米）、經過約20年的航行時間抵達半人馬座α星，並在到達後再經過約4年的時間向地球傳回信息。
物理學家史蒂芬·霍金與投資人尤里·米爾納於二零一六年四月十二日在紐約共同宣佈了該項目正式啟動。項目的初期投資為一億美元。米爾納預計整個項目最終耗資可達五十億至一百億美元。
代達羅斯計劃
[編輯]
代達羅斯計劃是英國星際協會在1973至1978年之間倡導的研究計劃，考慮使用無人太空船對另一個恆星系統進行快速的探測。當時希望研究出核動力引擎作為宇宙飛船的動力，並以此前往六光年之遙的巴納德星。
伊卡洛斯工程
[編輯]伊卡洛斯工程由英國星際協會和伊卡洛斯星際組織聯合推出，最終目標是建造一艘具備恆星際航行能力的無人飛船，前往距離太陽系最近的恆星系統進行勘察，理論上星際航行將耗時100年。
百年星艦
[編輯]美國國防高等研究計劃署（DARPA）與美國國家航空航天局（NASA）合作的一項星際旅行計劃。該計劃於2012年1月啟動，目標是未來一百年內使人類能夠進行恆星際旅行。
恩茲曼飛船
[編輯]海柏利安計劃
[編輯]伊卡洛斯星際組織的其中一個計劃。
星縷計劃
[編輯]獵戶座計劃
[編輯]遠射計劃
[編輯]星際種子
[編輯]女武神計劃
[編輯]太陽潛水員
[編輯]文學
[編輯]歐陸最早關於星際旅行的文學，可以追溯到公元兩世紀，居住在希臘的亞述人作家琉善的奇幻短篇《信史》，內容是講述遊歷月球 。直到十七世紀以後，隨着天文學日漸成熟，催生眾多星際旅行相關文學作品。十六世紀德國天文學家開普勒的文學作品《月亮之夢》和同時期的英國科幻小說家戈德溫的《月亮上的人》，就是其中的一些著名例子[11]。
1640年，英國自然哲學家約翰·威爾金斯開始系統性的關注空間旅行。他在《關於一個新世界和另一顆行星的討論》（A Discourse Concerning a New World and Another Planet）中記載了當時他所預測的三種登月方法。他其後在1648年出版的《數學魔法》中，補充了第四種登月方法。
直至十九世紀，科幻文學出現更多關於星際旅行的內容，甚至是想像性的時間旅行，例如有英國小說家威爾斯在1895年出版的科幻小說《時間機器》[11]。
參考文獻
[編輯]- ^ Forward, Robert L. Ad Astra!. Journal of the British Interplanetary Society. 1996, 49 (1): 23–32. Bibcode:1996JBIS...49...23F.
- ^ Planet eps Eridani b. exoplanet.eu. [2011-01-15]. （原始內容存檔於2021-02-14）.
- ^ Astronomers Have Discovered The Closest Potentially Habitable Planet （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. Yahoo News. December 18, 2015.
- ^ Three Planets in Habitable Zone of Nearby Star. eso.org. [2016-12-21]. （原始內容存檔於2021-02-14）.
- ^ Croswell, Ken. ScienceShot: Older Vega Mature Enough to Nurture Life. sciencemag.org. 3 December 2012. （原始內容存檔於2012年12月4日）.
- ^ 引用錯誤：沒有為名為
spaceflightnow的參考文獻提供內容 - ^ Launch Day of the H-IIA Launch Vehicle No. 17(H-IIA F17). JAXA. March 3, 2010 [2010-05-07]. （原始內容存檔於2013-06-03）.
- ^ Alcubierre, Miguel. The warp drive: hyper-fast travel within general relativity. Classical and Quantum Gravity. 1994, 11 (5): L73–L77. Bibcode:1994CQGra..11L..73A. arXiv:gr-qc/0009013
. doi:10.1088/0264-9381/11/5/001.
- ^ Thorne, Kip; Michael Morris; Ulvi Yurtsever. Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition (PDF). Physical Review Letters. 1988, 61 (13): 1446–1449 [2016-06-19]. Bibcode:1988PhRvL..61.1446M. PMID 10038800. doi:10.1103/PhysRevLett.61.1446. （原始內容存檔 (PDF)於2011-07-09）.
- ^ See The Alcubierre Warp Drive （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） by John G. Cramer, where Cramer notes that "Alcubierre, following the lead of wormhole theorists, argues that quantum field theory permits the existence of regions of negative energy density under special circumstances, and cites the Casimir effect as an example."
- ^ 11.0 11.1 江曉原; 穆蘊秋. 科学与幻想：一种新科学史的可能性. 上海交通大學學報. 2012, 20 (2).
