星际探索新征程:NASA探测器的星辰之约

爱玩的蛋哥 2024-11-30 08:12:29
一、NASA 考虑向比邻星发射探测器

比邻星作为距离太阳系最近的恒星,一直备受关注。今年年初,一家名为 “太空倡议 (Space Initiatives Inc.)” 的美国初创公司向 NASA 提交了一份探索比邻星的提案。该提案设想通过光帆驱动的方式向比邻星发射上千颗微型探测器,他们称该方案为 “蜂拥比邻星”。九月份,在 NASA 举行的创新研讨会上,研究人员向人们阐述了该方案的具体细节以及展示相关动画。

比邻星相信大家都很熟悉,它是距离太阳系最近的一颗恒星,离我们只有 4.2 光年。出了奥尔特云,再走上大概一半的路程差不多就到了。比邻星所在的系统并不是单恒星系统,它所在的南门二(半人马座 α)是个由三颗恒星组成的三合星系统,也是《三体》里三体人老家的原型。不过现实中,南门二那三颗恒星的运动并不是没有规律,相反,它们有着特殊的运动关系:其中比邻星相对比较独立,另外两颗恒星距离它非常远,甚至它们更像是一个双星系统。

(一)比邻星的特点

比邻星是南门二三合星系统中的一颗恒星,距离太阳系仅 4.2 光年。

比邻星作为距离太阳系最近的恒星,其位置的特殊性使其成为了天文学家们重点关注的对象。仅仅 4.2 光年的距离,在浩瀚的宇宙尺度中,仿佛是我们的近邻。出了奥尔特云后,再行进约一半的路程便可到达比邻星,这使得它在宇宙探索中具有独特的地位。

该系统并非单恒星系统,三颗恒星运动有特殊关系,比邻星相对独立。

比邻星所在的南门二系统是一个由三颗恒星组成的三合星系统,这与我们熟悉的单恒星系统有很大不同。在这个系统中,比邻星相对独立,另外两颗恒星距离它较远,更像是一个双星系统。这种特殊的恒星运动关系,为研究恒星系统的形成和演化提供了宝贵的样本。

比邻星周围已发现三颗行星,其中两颗为岩质行星且在宜居带内,但由于是红矮星,行星易被潮汐锁定且耀斑频繁,宜居性存疑。

令人兴奋的是,在比邻星周围已发现三颗行星。其中两颗为岩质行星,并且处于宜居带内,这引发了人们对生命存在的无限遐想。然而,比邻星是一颗红矮星,其辐射特性使得行星容易被潮汐锁定,同时红矮星的耀斑频繁,这给行星的宜居性带来了很大的疑问。

(二)探测器方案及技术难题

探测器需采用光帆技术,光子推力微小,需增加能量和减小设备重量,材料问题是关键。

由于比邻星距离地球相对较近,光帆技术成为了探索比邻星的一种可行方案。然而,光子能够产生的推力极其微小,要让光帆技术发挥作用,现阶段一方面需要增加能量,比如使用高功率的激光以及增大帆的面积;另一方面要尽可能地减小设备的重量,比如限制在几十克。在这个过程中,材料问题成为了首先需要攻克的一大难关。既要大、又要轻,可见找到合适的材料制作探测器至关重要。

计划用高功率激光阵列加速 “克” 级探测器,理论上可达到光速的 20%,有望在 100 年内抵达比邻星。

研究人员计划使用一种高功率的激光阵列对探测器进行加速。如此一来,在持续推进的累积效应下,这样的 “克” 级探测器理论上最终能达到光速的 20%。这意味着,人类的探测器将有望在 100 年内抵达比邻星。到达火星仅需 20 天,有了这项技术,人类飞出太阳系也将不再遥远。

探测器集群可在途中对星际云进行观测,抵达后组成虚拟望远镜阵列进行高分辨率观测,但该项目目前处于概念阶段,未获第二阶段资助。

向 NASA 提交的设想中,研究人员计划一次发射数百个探测器,然后最终打造一个由上千个探测器构成的集群。这样一来,探测器在前往比邻星的途中,就可以提前开始工作,对太阳系周围的星际云进行实地观测,这将是人类首次以太阳系外的视角观察我们的宇宙。当探测器抵达比邻星后,借助上百台探测器组成的虚拟望远镜阵列,我们可以开展高分辨率的观测,无论是恒星、行星还是没被发现的卫星,甚至是那里的小行星,我们都可以对其进行直接成像。听起来十分激动人心,但遗憾的是,该项目今年未能获得 NASA (NIAC) 的第二阶段资助,该方案目前在很大程度上仍然处于概念阶段。不过即便如此,“蜂拥比邻星” 仍然是个值得研究和进一步开发的想法,和其他光帆项目一样,它们为我们展示了未来几十年人类星际任务可能的样子。

二、巴纳德星确认存在岩质行星

巴纳德星是距离太阳系最近的单恒星,距离我们 6 光年,是一颗红矮星,质量为太阳的 0.16 倍,表面温度约三千度,是太阳的一半。

巴纳德星虽小但年长,已有 80 多亿岁,是贫金属星。相较于太阳 46 亿岁的年龄,巴纳德星可谓是宇宙中的 “耄耋老人”。对于拥有万亿年寿命的红矮星家族来说,80 多亿岁的巴纳德星在其家族中仍处于 “婴儿期”。其体内缺乏除氢氦以外的其他元素,这一特征使其成为贫金属星。

巴纳德星确认存在岩质行星巴纳德 b,体积至少是地球的 3.2 倍,表面温度约零下 150 摄氏度,但可能有炽热铁 / 镍核心和地热活动,冰冻表面之下液态水区域可能孕育生命。巴纳德 b 是一颗超级地球,围绕着巴纳德星公转,周期为 233 天。尽管其表面温度极低,被认为是一个冰冷的世界,但科学家们推测它可能拥有一个巨大的炽热铁 / 镍核心,并且地热活动非常活跃。这种地热加热可使地表之下变为 “生命区”,类似于南极洲的地下湖泊。木星的冰冻卫星木卫二的表面温度与巴纳德 b 相似,但由于潮汐加热,木卫二冰冻的表面下可能存在液态海洋。巴纳德 b 也可能具有相似的特性,液态水区域或许能孕育生命。

此外,巴纳德星是目前所有已知恒星中自行运动最快的恒星,有时候也被称为巴纳德 “逃亡之星”。它的自行速度高达每年 10.3 角秒,比大熊座的飞行之星快一倍。观测者必须使用望远镜才能看见巴纳德星,它的视星等为 9.54 等,亮度只有 6 等星的 1/27。巴纳德星的年龄介于 70 亿至 120 亿年之间,不仅比太阳古老,天文学家还认为它可能是银河系中最古老的恒星。它已经失去了大量的转动能量,自转一周需要 130 天。1998 年,天文学家观测到一个强烈的恒星耀斑,所以巴纳德星其实是一颗耀星。

巴纳德星周围很可能有两颗大小约等于木星和土星的行星围绕它公转,是一个距离地球很近的恒星系。虽然关于巴纳德星周围行星的存在曾有过争议,但近年来的研究表明,巴纳德 b 的存在为这个恒星系增添了更多的神秘色彩。天文学家们对巴纳德星及其行星系统的研究仍在继续,希望能更好地了解它的大气、表面情况和潜在的宜居性。巴纳德星作为距离太阳系最近的单恒星之一,无疑为人类探索系外行星和地外生命提供了一个重要的目标。

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