今年2月23日，NASA宣布首次在距離地球約40光年的地方發現七顆類地行星，其中有三顆位于其母恒星的宜居帶。這一發現為地外生命的探尋開辟了新的方向，也再一次點燃了人們對星際航行的興趣和熱情：我們将利用星際航行前往何處？怎樣才能實現星際航行？具體需要突破哪些技術限制？且随本文一起了解星際航行的發展現狀和前景吧！
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SciencefictionwritersandmoviemakershaveshownuscountlessvisionsofhumanityspreadoutacrosstheUniverse,soyoumightbeforgivenforthinkingthatwe’vealreadygotthisinthebag1).Unfortunately,westillhavemorethanafewtechnicallimitationstoovercome—likethelawsofphysicsasweunderstandthem—beforewecanstartcolonisingnewworldsbeyondourSolarSystemandgalaxy.
Thatsaid2),severalprivatelyfundedorvolunteerinitiativessuchastheTauZeroFoundation3),ProjectIcarus4)andBreakthroughStarshot5)haveemergedinrecentyears,eachhopingtobringusalittlebitclosertoreachingacrossthecosmos.ThediscoveryinAugustofanEarth-sizedplanetorbitingourneareststarhasalsoraisedfreshhopesaboutvisitinganalienworld.
Istravellingtoothergalaxiespossible?Andifso,whatkindsofspacecraftmightweneedtoachieveit?Readontogetupto(warp6))speed.
WHEREWOULDWEGO?
Wherewouldn’twego?TherearemorestarsintheUniversethantherearegrainsofsandonEarth—around70,000,000,000,000,000,000,000—andbillionsoftheseareestimatedtohaveonetothreeplanetsintheso-called“Goldilockszone7)”:nottoohot,nottoocold.
Aswe’rejuststartingout,thebestcontendersofarisourneareststellarneighbor—thetriplestarsystemofAlphaCentauri8),4.37light-yearsaway.Thisyear,astronomersattheEuropeanSouthernObservatory9)discoveredanEarth-sizedplanetorbitingAlphaCentauri’sreddwarfstar10)ProximaCentauri11).Theplanet,namedProximab,isatleast1.3timesthemassoftheEarthbuthasaverytightorbitaroundProximaCentauri,takingjust11Earthdaystocompletethetrip.Whathasastronomersandexoplanet12)huntersespeciallyhotunderthecollar13)isthatthisplanetisintherighttemperaturerangeforliquidwater,whichisausefulproxy14)forhabitability.
Thedownsideiswedon’tknowifithasanatmosphere,andgivenitsclosenesstoProximaCentauri—closerthantheorbitofMercuryaroundourSun—itwouldlikelybeexposedtodangeroussolarflares15)andradiation.Itisalsotidally-locked16),whichmeanstheplanetalwayspresentsthesamefacetoitsstar;somethingthatwouldcompletelyalterournotionsofnightandday.
HOWWOULDWEGETTHERE?
That’sthe$64trillionquestion.Evenatthefastestspeedsofourcurrenttechnology,aquickjaunt17)tocheckoutProximabwouldseeusarrivinginaround18,000years,bywhichtimethere’severychanceourEarth-bounddescendantswouldhavearrivedtherewellaheadofusandgrabbedalltheglory.Butmanysmartminds—anddeeppockets18)—arebeingturnedtothechallengeoffindingafasterwaytocrossvastdistancesofspace.
BreakthroughStarshot—a$100millioninitiativeprivatelyfundedbyRussianbillionairesYuriandJuliaMilner—isfocusingonpropellingatinyunmannedprobebyhittingitsextremelylightweightsailwithapowerfulEarth-basedlaser.Theideaisthatifthespacecraftissmallenough—andwe’retalkingbarelyagram—andthesaillightenough,theimpactofthelaserwillbeenoughtograduallyacceleratethecrafttoaroundone-fifthofthespeedoflight,takingittoAlphaCentauriinaround20years.
TheMilnersarecountingonminiaturisationtechnologiestoenablethistinycrafttocarryacamera,thrusters19),apowersupply,communicationandnavigationequipmentsoitcanreportonwhatitseesasitflashespastProximab.Hopefullythenewswillbegood,becausethatwilllaythefoundationforthenextandmoredifficultstageofinterstellartravel:people-moving.20)?
WHATABOUTWARPDRIVE
StarTrekmadeitalllooksoeasy,buteverythingwecurrentlyknowaboutthelawsofphysicstellsusthatfaster-than-lighttravel—oreventravelatthespeedoflight—isnotpossible.Notthatscienceisthrowinginthetowel21).Inspiredbyanotherpropulsionsystemthathascapturedtheimaginationofsciencefictioncreators,NASA’sEvolutionaryXenonThruster22)projectisdevelopinganion23)enginewhichishopedtoaccelerateaspacecrafttospeedsupto90,000mph(145,000km/h)usingonlyafractionofthefuelofaconventionalrocket.
Butevenatthosespeeds,wewon’tbegettingfaroutoftheSolarSystemwithinasinglegenerationofspacefarers.Untilweworkouthowtowarptimeandspace,interstellartravelisgoingtobeaveryslowboattothefuture.Itmightevenbebettertothinkofthattravelperiodastheenditself,ratherthanameanstoanend.
HOWWOULDWESURVIVEONANINTERSTELLARVOYAGE?
Warpdrivesandionpropulsionareallverysexy,butthey’renotmuchuseifourinterstellarvoyagersstarve,dehydrateorsuffocatelongbeforetheyevenleaveourownSolarSystem.ResearcherRachelArmstrongarguesweneedtostartthinkingabouttheecosystemthatinterstellarhumanitywilloccupyoutthereinbetweenthestars.“We’removingfromanindustrialviewofrealitytoanecologicalviewofreality,”shesays.
AsprofessorofexperimentalarchitectureattheUniversityofNewcastleintheUK,Armstrongtalksabout“worlding”:“It’sabouttheinhabitationofspaces,notjustthedesignofaniconicobject,”shesays.Theinsideofaspacecraftorspace-stationtodayissterile24),andindustrial,sheargues.Armstrongbelievesweinsteadneedtothinkecologicallyaboutourvessels—aboutthevegetationthatisgrown,andeventhekindsofsoilswetakewithus.Inthefuture,sheenvisagesgiantbiomes25),fulloforganiclife,notthecold,metalboxesoftoday.
CAN’TWEJUSTSLEEPALLTHEWAYTHERE?
Cryosleep26),hibernationorsomeformofstasis27)arefavouredsolutionstothepricklyproblemofhowtokeeppeoplealiveonavoyagethatmighttakelongerthanahumanlifespan.Afacilityfullofcryopreserved28)bodiesandheadsattheAlcorLifeExtensionFoundation29)aretestamenttohumanoptimismthatwewillonedayworkouthowtosafelyfreezeandthawhumans,butagain,nosuchtechnologycurrentlyexists.
Onesuggestion,whichisexploredinmoviessuchasInterstellarandbookssuchasNealStephenson30)’sSeveneves,istosendfrozenembryosthatcould—presumably—survivethosehardshipsbyvirtueofnotneedingtoeat,drinkorbreathe.Butthisraisesthevery“chickenandegg”problemofwhowouldraisethesefledglinghumanswhentheyarriveattheirdestination.
SO,WILLITACTUALLYHAPPEN?
Probablynotinthelifetimeofanyoneoldenoughtoreadthisarticle,butinthelongerterm,there’scauseforoptimism.“Fromtheoutsetofhumanexistencewe’velookedupatthestarsandprojectedourhopesandfears,anxietiesanddreamsthere,”saysArmstrong.Andwiththelaunchofprojectstotackletheengineering,suchasBreakthroughStarshot,“thisisnolongerjustadream,thisisanexperimentnow.”
1.inthebag：十拿九穩的；确定無疑的
2.thatsaid：雖然如此，盡管這樣
3.TauZeroFoundation：TauZero基金會，美國一個從事星際研究的非營利組織
4.ProjectIcarus：伊卡洛斯計劃，一項星際航行工程，最終目标是建造一艘具備恒星間航行能力的無人飛船，前往距離太陽系最近的恒星系統進行勘察。
5.BreakthroughStarshot：突破攝星，由霍金牽頭發起的一項宇宙探索計劃，其目标是開發數千個郵票大小的納米小型太空飛船，飛往最近的恒星系，并發回照片。
6.warp[wɔː(r)p]n.空間翹曲，即空間折疊，一種因強大的引力使空間發生扭曲的現象，理論上認為在翹曲空間内可以進行瞬時移動。
7.Goldilockszone：金發姑娘區，指恒星周圍的适居區。這一區域距離恒星不遠不近，溫度适中，允許液态水存在，進而有可能孕育出生命。
8.AlphaCentauri：半人馬座α星，由三顆恒星組成。
9.EuropeanSouthernObservatory：歐洲南方天文台，天文學最重要、最多産的地面天文台之一
10.reddwarfstar：紅矮星，指表面溫度低、顔色偏紅的矮星。矮星是指本身光度較弱的星。
11.ProximaCentauri：恒星比鄰星，半人馬座α星的第三顆星，又稱“半人馬座α星C”，是離太陽系最近的一顆恒星。
12.exoplanet[ˈeksəʊˌplænɪt]n.[天]外行星
13.hotunderthecollar：(因某事)忙碌着；興奮着
14.proxy[ˈprɒksi]n.指标
15.flare[fleə(r)]n.(太陽的)耀斑，發生在太陽大氣局部區域的一種最劇烈的爆發現象
16.tidally-locked：潮汐鎖定的，即同步自轉的。受到潮汐鎖定的天體永遠以同一面對着另一個天體。
17.jaunt[dʒɔːnt]n.遊覽
18.deeppocket：〈美〉深口袋(雇主)，指擁有巨額财源的自然人或法人。
19.thruster[ˈθrʌstə(r)]n.推進器
20.warpdrive：曲速引擎，一種超光速推進系統，科幻作品中的常見技術
21.throwinthetowel：承認失敗；認輸
22.指NASA研發的演進氙離子推進器引擎，簡稱“NEXT”。
23.ion[ˈaɪən]n.[化]離子
24.sterile[ˈsteraɪl]adj.無生氣的；枯燥乏味的
25.biome[ˈbaɪəʊm]n.生物群落
26.cryosleep：低溫休眠，科幻作品中的常見技術，能使人類在漫長的太空旅行中保持年輕。
27.stasis[ˈsteɪsɪs]n.靜止狀态
28.cryopreserve[ˈkraɪəʊˌprɪˈzɜː(r)v]vt.[醫]低溫貯藏(細胞或組織等)
29.AlcorLifeExtensionFoundation：阿爾科生命延續基金，美國一家大型人體冷藏公司
30.NealStephenson：尼爾·斯蒂芬森(1959~)，美國著名科幻作家，代表作包括《雪崩》(SnowCrash)、《七夏娃》(Seveneves)。
科幻小說家和電影制作人已經為我們展現了人類足迹遍布宇宙的無數種構想，所以你如果覺得星際航行這件事已十拿九穩，那也情有可原。令人失望的是，我們還需要突破不少技術限制——比如我們目前所理解的物理學定律——才能走出我們的太陽系和銀河系，開始征服新世界的旅程。
盡管如此，近年來還是出現了諸如TauZero基金會、伊卡洛斯計劃以及突破攝星等多個由私人出資或志願發起的項目，希望使我們距離跨越宇宙的目标更近一些。我們8月份發現了一顆與地球大小相似的行星(編注：英文原文發表于2016年10月)，圍繞離我們最近的恒星運行，這也為我們造訪外星世界增添了新希望。類地行星真的有可能航行去其他星系嗎？如果可能的話，我們需要怎樣的太空飛船才能實現這一目标呢？繼續讀下去就能(以超光速)了解最新進展。
我們會去哪兒？
我們不會去哪兒呢？宇宙中恒星的數量比地球上沙子的數量還多，大約有700萬億億顆，其中數十億恒星估計都有一到三顆行星位于所謂的“金發姑娘區”：那裡既不是太熱，也不是太冷。
既然我們剛剛起步，目前最有希望抵達的恒星是距離我們最近的恒星鄰居——由三顆恒星組成的半人馬座α星系統，位于4.37光年以外。今年，歐洲南方天文台的天文學家們發現了一顆與地球體積相當的行星，圍繞半人馬座α星的紅矮星——比鄰星運行。這顆行星名為“比鄰星b”，至少是地球質量的1.3倍，但是由于其運行軌道與比鄰星非常貼近，隻需11個地球日就可以環繞比鄰星一周。讓天文學家和外行星觀測者興奮不已的是，這顆行星具有适合液态水存在的合适溫度，而這是宜居性的有用表征。
它的缺點在于，我們不知道它是否有大氣層，而且鑒于它和比鄰星的距離如此之近——比水星環繞我們太陽的軌道還要近——它很可能暴露在危險的母恒星耀斑和輻射之下。而且它還是潮汐鎖定的，這意味着這顆行星總是用同一面朝向它的母恒星。這會徹底改變我們對于黑夜和白天的認識。突破攝星計劃示意圖
我們如何到達那裡？
這是個價值64萬億美元的問題。即使以我們目前科技所能實現的最快速度去比鄰星b轉一圈，大概也要花上18,000年才能抵達，而在這麼長的時間裡，我們在地球上的人類後代大有可能已經早早超越我們抵達那裡，搶走所有的風頭。但是許多聰明的頭腦和鼓鼓的腰包都加入到了尋找更快穿越廣闊空間方法的挑戰中。
“突破攝星”是一項由俄羅斯億萬富翁尤裡和茱莉亞·米爾納夫婦私人投資的價值一億美元的項目，專門研究如何驅動微型無人探測器，其驅動方法是使基于地面的強大激光束作用于探測器上重量超輕的光帆。這個項目認為，如果宇宙飛船足夠小——小到不足一克重——光帆又足夠輕，激光的驅動力就足以使飛船逐漸加速到接近光速的1/5，用大約20年的時間抵達半人馬座α星。
米爾納夫婦期望微型化技術能使這個微型飛船攜帶攝像機、推進器、電源供應裝置、通訊及導航設備，以便能夠在與比鄰星b擦肩而過時，将所觀測到的内容發送回來。希望我們能等來好消息，因為這會為星際航行的下一個難度更大的階段——載人航行——打下基礎。
曲速引擎怎麼樣？
雖然在《星際迷航》裡看起來很容易，但是我們目前所知的一切物理定律都告訴我們，超光速飛行甚或是光速飛行，都是不可能的。這并不是說科學已經就此認輸了。受科幻小說家們想象出來的另一種驅動系統的啟發，NASA的演進氙離子推進器引擎項目正在研發離子引擎，希望将太空飛船的速度提升到90,000邁(145,000千米/小時)，而所耗燃料比傳統火箭要少得多。
但即便是以這樣的速度，我們在一代太空探索者的時間裡也無法走出太陽系太遠。在搞懂如何實現時空翹曲之前，星際航行意味着要搭乘一艘非常緩慢的太空船去向未來。也許最好将這種太空之旅本身視為目标，而不是将其看作實現某種目标的手段。
我們在星際旅行中如何生存？
曲速引擎和離子推進都很誘人，但是如果我們的星際旅行者們甚至在遠未離開自己的太陽系之前就因饑餓、脫水或難以呼吸而死去，那麼這些技術終究還是沒什麼用。瑞秋·阿姆斯特朗研究員認為，我們需要開始思考星際旅行的人們在途中身處怎樣的生态系統這一問題了。“我們正從以工業視角考慮現實轉向以生态視角考慮現實。”她說。
作為英國紐卡斯爾大學試驗建築專業的教授，阿姆斯特朗談到了“構建有機世界”這一概念，她說道：“該理念所關心的是如何在空間中居住，而不僅僅是設計一個标志性的物體。”她認為，今天的太空飛船或空間站的内部毫無生機，非常工業化。阿姆斯特朗相信，我們應該轉而思考一下我們飛船的生态性——在其中栽培什麼樣的植被，甚至是我們攜帶什麼樣的土壤。在未來，她設想了大型的生物群落，充滿有機生命體，而不像今天那樣，都是些冰冷的金屬盒子。我們不能全程睡眠嗎？
如何使人們在超過人類壽命長度的太空旅程中保持生存狀态是個棘手的問題，針對這一問題受推崇的解決方案是低溫休眠、冬眠或某種形式的靜止狀态。阿爾科生命延續基金項目裝滿了低溫貯藏的身體和頭部的設施證明，人們樂觀地相信，我們終有一天能夠搞清楚如何安全地将人們冷凍和解凍，但同樣地，這樣的技術目前不存在。
電影《星際穿越》和尼爾·斯蒂芬森的小說《七夏娃》等作品提出了一種建議：由于胚胎不用飲食或呼吸，可以将冷凍胚胎送上星際旅程使其(理論上講)能夠在旅程的艱難環境中存活下來。但是這又引發了“雞生蛋還是蛋生雞”的問題：當他們抵達目的地之後，誰來養育這些初到人世的嬰兒呢？
星際旅行真的會發生嗎？
雖然在本文讀者的有生之年可能無法實現，但是在更長的時間範圍内，還是有理由持樂觀态度的。“自人類存在之初，我們就擡頭仰望群星，向它們寄托我們的希望和恐懼，焦慮和夢想。”阿姆斯特朗說道。随着諸如“突破攝星”這樣的項目來解決工程問題，“這已經不再隻是夢想，而是進入了實驗階段”。