天文太空

揚帆吧!星晶片部隊

星際旅行是很多人的夢想,最近在億萬富翁贊助下,一群頂尖科學家打算前往距離太陽系最近的恆星之一半人馬座α星。這可能成功嗎?

撰文/芬克拜納(Ann Finkbeiner)
翻譯/宋宜真

天文太空

揚帆吧!星晶片部隊

星際旅行是很多人的夢想,最近在億萬富翁贊助下,一群頂尖科學家打算前往距離太陽系最近的恆星之一半人馬座α星。這可能成功嗎?

撰文/芬克拜納(Ann Finkbeiner)
翻譯/宋宜真


去年春天,我和著名物理學家兼數學家戴森(Freeman Dyson)都參加了一場媒體接待會。戴森高齡92歲但聰穎依舊,他是美國普林斯頓高等研究院榮譽退休教授。他說話總是出人意表,我索性直接問:「最近有什麼新鮮事?」只見他故弄玄虛地笑答:「我們顯然要前往半人馬座α星了。」最近美國矽谷一位億萬富翁宣佈,他資助的「突破星擊」(Breakthrough Starshot)任務預計把某種太空船送往我們太陽附近的恆星。我問:「你認為這個點子如何?」戴森笑得更開了:「我認為這件事很蠢。」他緊接著又加上一句:「但是太空船很有意思。」


此計畫的太空船確實有意思。星擊任務不像一般火箭以化學反應驅動,也無法承載人或是沉重的儀器。星擊任務的太空船是微小的多功能「星晶片」(StarChip),每塊晶片都裝載在一片「光帆」(light sail)上。光帆十分輕薄,一旦被雷射光束照射,就會加速到光速的20%。半人馬座α星距離地球4.37光年,即使是目前最快的火箭也得花三萬年才能抵達,但星晶片只需20年。星晶片抵達後不會就此停止,而是在數分鐘內快速飛掠這顆恆星及其行星,觀測資料經過4.37年便可傳回地球。


這件事之所以「蠢」,在於星擊任務不太「科學」。天文學家感興趣的恆星資訊,並不是快速飛掠就有辦法獲得。更何況,沒人知道半人馬座α星附近是否有行星,因此,我們甚至無從得知星擊任務是否有機會造訪其他行星。擔任星擊任務諮詢委員的普林斯頓大學天文物理學家特納(Ed Turner)說:「我們在科學上還沒有提出足夠的理由。我們幾乎理所當然認為,這項計畫的科學研究一定很有意思。」


2016年8月,星擊團隊時來運轉,沒有參與該計畫的歐洲團隊,在比半人馬座α星更靠近地球0.1光年的半人馬座比鄰星附近,發現一顆行星。想要在可預見的未來造訪繞行其他恆星的行星,星擊任務突然躍升而成唯一有機會實踐的方案。即使如此,星擊任務仍然像是科幻迷和星際旅行迷的夢想,他們總是認真討論若有足夠資金和科技奇蹟,要如何以確實可行的技術把人類送到太陽系之外。


然而,星擊任務不需要奇蹟。雖然目前該任務所需的科技尚不存在,不過它確實基於現有的工程技術,也不會違反任何物理定律。而且,這項任務已獲得資金支持。矽谷企業家密爾納(Yuri Milner)提供一億美元做為星擊任務的基金,他也資助了「突破計畫」(Breakthrough Initiatives)以及年度科學獎項「突破獎」(Breakthrough Prize)。此外,密爾納還組織了一個資歷驚人的諮詢委員會,足以說服任何對該任務抱持懷疑態度的人。


委員會成員包括從事雷射、光帆、晶片、系外行星、航空以及管理大型計畫的各方專家、兩位諾貝爾獎得主以及英國皇家天文學家、傑出的學院天文物理學家、一群經驗豐富的聰明工程師,最後,還有戴森。戴森雖然認為星擊任務這個點子很蠢,但是以雷射驅動光帆的想法卻很合理,而且值得一試。總之,這項計畫資金充裕、顧問團陣容堅強,並且擁有許多聰明的工程師,前景十分看好。


不管星擊任務有何展望,它跟過去的太空任務大不相同。美國海軍戰爭學院的太空策略專家佛利斯(Joan Johnson-Freese)說:「一切與星擊任務相關的事都很不尋常。」星擊任務的目標、資金來源以及管理結構都與其他太空旅行計畫很不一樣:私人太空公司強調獲利,因此只著重太陽系內的載人任務;美國航太總署(NASA)尚未規劃星際旅行,不可能冒險執行不確定性這麼高的任務,而且官僚程序複雜又冗長,最後還得仰賴標準不一的美國國會核准與資助。前太空人、國際太空站指揮官焦立中(Leroy Chiao)說:「NASA的計畫曠日廢時,億萬富翁則說做就做,只要把團隊集結起來,就可以出發。」


推動星擊計畫


密爾納這位星擊任務的推手之所以受到感召,要從很久以前說起。1961年,尤里.密爾納出生於蘇聯莫斯科,那一年,尤里.加蓋林成為第一位飛上太空的人類。密爾納表示:「我父母把我的名字取為尤里是有原因的。」那就是他們希望他能前往人類從未涉足之境,因此他選擇主修物理學,他說:「那是我最初的愛。」密爾納花10年學習物理,接著研究量子色動力學。他說:「不幸的是,我的表現並不出色。」於是他轉向商業領域,成為臉書和推特的早期投資者,據聞因此獲利將近30億美元。密爾納說:「大約四年前,我再度想起我最初的愛。」


2013年,他創立突破獎,涵蓋生命科學、數學和物理學三個領域。2015年,他把觸角延伸到宇宙,展開「突破計畫」這項業餘愛好。他提供100萬美元,設計出給外星文明的訊息;另外提供一億美元獎金給用更廣泛、更細膩的方式去尋找外星智慧的計畫。現在,這一億美元給了星擊任務。


2015年初,密爾納號召了一支管理團隊,成員來自他在突破計畫各種場合認識的專家。星擊任務的諮詢委員主席是哈佛大學天文系的羅布(Avi Loeb),執行長則是NASA艾密斯研究中心主任沃登(Pete Worden);沃登也參與美國國防高等研究計畫署(DARPA)與NASA預計在100年內發射的星艦計畫。沃登找來克魯帕(Pete Klupar)擔任星擊任務首席工程師,他待過航太產業,也曾在艾密斯研究中心與沃登一起工作。


他們隨後集結出一支優異的團隊,由相關科技領域的專家組成。這些專家願意以部份支薪或不支薪的方式參與計畫,團隊中的大人物包括臉書創辦人祖克柏以及宇宙學家霍金。星擊任務的管理策略似乎就是在NASA和矽谷的文化之間取得平衡,前者採取嚴格的階層式管理模式,後者則把一群聰明人集合在一起,丟出一個長期計畫,然後讓他們自由發揮。其中一位諮詢委員班弗德(James Benford)是微波科學公司的執行長,他說:「他們會丟出一星期以及五年的目標,然後我們得自己想辦法把兩者連結起來。」


團隊成員都同意,把人送往半人馬座α星太難達成,不需考慮;他們把重心放在無人任務上,並預計大約20年後發射。他們認為最大的問題是太空船的動力。因此,2015年中開始,羅布的博士後研究員和研究生把各種方案區分為不可行、不大可行和可行。同年12月,美國加州大學聖巴巴拉分校的物理學家魯賓(Philip Lubin)寄來一篇論文,他們稱之為「星際航行藍圖」。魯賓使用整相陣列(phased array)雷射做為太空飛行器的推進動力,也就是把一群小型雷射發射器排成陣列,如此一來,發出的雷射光可以聚集形成同調的單一光束。雷射光可以推動裝載晶片的光帆,以幾分之一的光速前進,然後在數十年內抵達另一顆恆星。30年前,物理學家兼科幻作家佛華德(Robert Forward)就發表過類似的想法,他命名為「星束」。魯賓表示,即使這項技術目前還比較接近科幻而非事實,但是「基本上,我為星擊任務展開一份未來的發展藍圖。」於是他加入這項計畫。


2016年1月,密爾納、沃登、克魯帕、羅布和魯賓齊聚於密爾納的矽谷豪宅,擬定出一項策略。魯賓說:「密爾納走了進來,拿著一張貼滿便條的紙,直接問起科學和財務問題。」星擊任務的優點在於不尋常的執行方式:不必淹沒在NASA無盡的提案和審核程序,也不必像商業公司得不斷關注利潤問題。星擊團隊不需要去拼湊看似完美的草案。


星擊任務唯一昂貴的組件就是雷射。光帆和晶片都是造價低廉的消耗品,可以利用載具成群送到大氣層外,接著一艘艘釋出,彷彿成百上千條躍出水面的飛魚,就算有些太空船失敗也沒關係,這與低等動物以量取勝的繁衍策略如出一轍。雷射會打在每片光帆上,當光帆在數分鐘內加速到光速的20%,雷射便關閉,任憑光帆與晶片自行航向目的地,一旦晶片抵達恆星時會再跟地球通訊。密爾納說:「10年前,我們還無法認真討論這些想法。現在,雷射和晶片的技術已經大有進展,科學家也在設計並製造新材料,這項計畫不再需要數百年,而是數十年之後就能實現。」

星擊團隊把這個想法送交給其他科學家檢驗,看看是否能找出致命缺陷,結果是沒有。魯賓說:「我可以告訴你這項計畫多困難、多昂貴,但我找不到要它停擺的原因。」2016年4月,團隊一致通過這項方案;4月12日,密爾納在美國紐約新自由塔頂樓舉辦記者會,以影片、動畫來呈現這項計畫的特色,並介紹其中幾位諮詢委員,他宣佈要建造以光來推動的「星際帆船」。接下來整個夏天,研究團隊都在擬定未來得完成哪些事。


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