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恒星际旅行有多难?为什么旅行者1号40年才飞了1/450光年?

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发表于 2018-10-9 09:26:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 邓文龙 于 2018-10-9 09:34 编辑

恒星际旅行有多难?为什么旅行者1号40年才飞了1/450光年?

原创 氪眼看世界 2018-09-21 19:12:24  

上世纪70年代,NASA宇航员在月球表面首次留下人类的足迹。2050年左右,载人登陆火星有望成真。目前,人类共有5个深空探测器正在向太阳系边缘挺进,飞的最远的旅行者1号已经距离地球212亿公里。

茫茫星海似乎就在人类触手可及之处,但星际旅行真的如此简单吗?人类离星际文明时代还有多远?下面让我们解读一下!

恒星际旅行有多难?为什么旅行者1号40年才飞了1/450光年?

令人生畏的距离

太阳系内行星之间的距离通常用天文单位(A.U.)来表示,1个A.U.取太阳和地球的平均距离,即1.5亿千米。离地球最近的金星只有0.28 A.U.,离太阳最远的海王星有29.8 A.U.,而旅行者1号目前距离我们已有141.5 A.U.。

恒星之间的距离往往长达数十万个A.U.。离我们最近的恒星——半人马座比邻星相隔26.8万个A.U.(4.243光年)。如果将太阳和地球的间距缩小至1米,按比例计算,比邻星远在276公里之外!

人类最快的探测器旅行者1号的速度仅有光速的1/18,000,用40年的时间飞过了1光年的1/450,照这个速度还要3万年才能穿过奥尔特云,抵达半人马座比邻星估计要花8万年。

恒星际旅行有多难?为什么旅行者1号40年才飞了1/450光年?

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难以想象的能耗

影响人类深空探索的另一个因素是星际旅行的能源消耗极其巨大。物体的动能可以用动能方程来表示,即Ek=mv²/2,其中m为物体质量,v为物体运动速度。如果抵达目的地后只能靠推进器减速,所需的动能还得翻倍。

要想在短短几十年之内到达半人马座比邻星,飞船的速度需要比现在快几千倍,根据动能方程,所需的能量比现在多数百万倍!将1吨的物体加速到光速的1/10需要4.5X10^17焦耳的能量,即125兆瓦时。相比之下,2008年全世界的总能耗才14万兆瓦时。这还没有考虑推进器的燃烧效率。

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危机重重的旅行

就算解决了能源问题,实现恒星际旅行还面临重重挑战。首先,无处不在的星际气体和尘埃有可能对高速运行的飞船造成致命伤害。这些星际介质在太空中并非均匀分布,如何规划飞船航向也是一个棘手的问题。

另外,长时间的太空旅行对宇航员来说更是严峻的考验。可再生的生命维持系统,与世隔绝的密闭空间,致命的宇宙辐射,微重力环境下的人体肌肉、骨骼、免疫系统的病变——这些难关还需要科学家一一攻克。

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不畏艰险的尝试

基于目前掌握的航天推进技术,科学家正在尝试使用无人飞行器进行深空探索,除了“旅行者”项目之外,还有“代达罗斯”,“伊卡洛斯”,“突破摄星”等若干雄心勃勃的计划。使用纳米粒子推进剂和微芯片技术的新一代纳米飞船重量极小,未来研究人员希望能同时将上百万艘“微型飞船”以接近光速送入太空。

针对载人星际航行,科学家提出了“世代飞船”,“太空冬眠”,“冷冻胚胎”等诸多概念,这些方案无非是探讨如何使人类脆弱的身体平安度过漫长的恒星际旅程。由于人类生理和寿命的局限,也许未来和人工智能深度融合的仿生人是唯一可行的选择。

恒星际旅行有多难?为什么旅行者1号40年才飞了1/450光年?

形形色色的推进技术

传统的化学火箭虽然推力大,但比冲低,喷气速度大约为5千米/秒。离子发动机推力较小,但喷气速度可以达到15千米-35千米/秒。核裂变发动机虽然可以达到15%光速,但加速时间需几百年。核脉冲发动机能使飞船速度达到光速的50-80%,反物质推进技术的理论速度能达到光速的90%以上!

除了携带燃料的推进技术外,科学家还提出星际冲压发动机,甚至曲率引擎或虫洞旅行等超光速旅行的概念。当然,这些设想在理论和实践上还远远称不上完善。

恒星际旅行有多难?为什么旅行者1号40年才飞了1/450光年?

神奇的时间膨胀

您可能认为,即使人类以接近光速飞行,在20岁至60岁的40年间,也无法抵达距离地球40光年之外的地方。实际上,由于时间膨胀效应,飞船上的时间流逝比地球要慢得多。假设有人驾驶宇宙飞船飞往32光年外的某星球,先用1.32年持续加速(1.03G重力加速度),然后关闭发动机匀速航行17.3年,再花1.32年减速。抵达目的地并短暂访问后,再返回地球。这时候飞船上的时钟过了40年,地球已经是76年之后了!

飞船速度越接近光速,时间流逝就越慢(对宇航员来说没有任何区别)。因此遨游整个银河系的旅行都能在人类有生之年完成,往返距离太阳3万光年的银河系中心巨型黑洞也只需40年。只不过当宇航员返回地球时,6万年已经过去了!

恒星际旅行有多难?为什么旅行者1号40年才飞了1/450光年?

自从原始人第一次抬起头,向茫茫星海投去好奇的一瞥时,在恒星间遨游就成为深植人类内心深处的梦想。也许人类还要数百年上千年才能掌握星际旅行的奥秘,但科学家的研究正在使这个梦想一步步成为现实。

本文标签:星际迷航/地球/空间探测器/太阳系/旅行

https://tech.sina.com.cn/d/s/2018-10-08/doc-ihkvrhpt0920406.shtml



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