天文科普:哈佛物理学家提出设想:利用超新星爆发接近光速
来源:环球科学
发布时间:2020-06-06
浏览次数:1474

 在宇宙深处,一颗垂暮之年的大质量恒星随时将以剧烈的爆炸结束一生。但在距离这颗恒星数百万千米的地方,却停泊了无数由光帆或电帆驱动的航天器。它们将帆收紧,调整好方向,等待着超新星爆发的那一刻——与其说是参加恒星的葬礼,不如说在期待利用爆发产生的动力,让自己遨游星际。

  随着一束亮度相当于太阳数十亿倍的光芒,超新星爆发。这些航天器展开帆,接收着来自超新星的“燃料”,加速至超过0.1倍光速,甚至更快的速度,开始长的星际旅行。

  这样的场景可能来自科幻,也可以是物理学家经过理论计算的科学结果。这不,哈佛大学的两位物理学家就通过计算证实了将超新星爆发用作动力、实现星际旅行的可能性,并且将论文发布至预印本网站arXiv。

  洗澡时的灵感

  提出这个大胆的想法的,是本文作者之一Abraham Loeb。Loeb是哈佛大学天文学系主任,而他的另一个身份,是“突破摄星”计划咨询委员会的一员。

  “突破摄星”计划于2016年提出,人们对它最深刻的印象,可能是尤里·米尔纳投入的1亿美元启动经费,以及斯蒂芬·霍金和马克·扎克伯格的支持。这个计划希望通过地面上由1亿个激光器组成的大型阵列,释放激光、推动航天器上的光帆,将它加速至光速的五分之一,飞往4.3光年外的半人马座α星。如果计划最终成功实施,这场预期时长20年的星际旅行,将是人造物体首次造访另一个星系。

  不过,“突破摄星”计划仍停留在设想阶段,而且Loeb也认为,这个计划耗资巨大,地面激光阵列的功率需要达到惊人的每平方米100亿瓦。

  在这个雄心勃勃的计划前途未卜时,Loeb想到,宇宙中本身或许就存在更加强大的燃料。

  Loeb表示,他去年年底在家里洗澡时(是的,又是洗澡),突然迸发了灵感。太阳每时每刻都在辐射能量,亮度有限的太阳虽能带给地球温暖,却不能用作航天器前进的推动力。但如果是质量更大、更明亮的星体,尤其是超新星爆发时释放的巨大能量,是否足够呢?

  于是,Loeb与另一位哈佛大学物理学家Manasvi Lingam合作,计算利用超新星爆发等天文事件,能否实现星际旅行。

  接近光速

  他们的目标,是将航天器加速至相对论性速度(relativistic speeds)。这里需要简单介绍,什么是相对论性速度。我们知道,一个物体的能量包含静止质量的能量(也就是熟悉的E=mc2)和动能。一般情况下,静止能量远远大于动能,所以后者几乎可以忽略。而达到相对论性,就是动能足够大——不仅无法忽视,还超过了静止能量。

  在此基础上,更近一步的是极端相对论性速度(ultrarelativistic speeds)。这时物体的动能已经远远大于静止能量了,因此在计算其总能量时,静止能量可以忽略。为了实现这一点,运动速度需要非常接近光速。

  作者所做的,正是探索通过天文事件释放的能量达到相对论性速度,甚至是极端相对论性速度的可能性。

  两种驱动方式

  在他们的数学模型中,他们考虑了两种能量收集方式:一类与突破摄星计划相似,通过光帆接收光子,产生前进的推力;另一种则是电帆,通过接收静电力前进。航天器每平方米帆的质量不到0.5克,最初通过化学燃料送至距离天体数百万千米的地方准备就绪。

  而对于能量来源,研究者在关注超新星爆发的同时,还考虑了大质量恒星、微类星体、脉冲风星云、活跃星系核等释放能量不等的天体活动。

  最重要的问题,自然是航天器可以被加速到什么程度。以光帆为例,主要影响因素是天体的亮度。(对于不同类型的事件,还有一些其他影响因素,作者做了相应的校对)常见的超新星爆发亮度相当于太阳的109倍,此时,航天器可以加速到0.15倍光速,已经足够达到相对论性速度了。而最明亮的“极亮型”超新星爆发,亮度可以达到太阳的5×1012倍。如果被航天器盯上,这次爆发可以将它加速至超过0.6倍光速——快了很多,不过还是无法达到极端相对论性速度。

  还可以更快吗?研究人员发现,对于活跃星系核(即星系中心质量密集且活跃的区域,通常是大型黑洞所在的位置),其经过校正的亮度超过太阳的1015倍,这时航天器速度达到了0.938倍光速,不过呢,还没有达到可以无视静止能量的程度。

  

  对于光帆,不同天体活动能驱动产生的动量,其中γβ=v/(c2-v2)0.5

  此外,作者还计算了使用电帆时的结果。航天器的速度量级总体与光帆驱动的相近,不过需要注意的是脉冲风星云——这种星云可以驱使电帆的相对论因子(γ)达到104~105。γ相当于c/(c2-v2)0.5。(其中c为光速)读者稍作计算,便可惊讶地发现,此时航天器的速度已经相当接近光速。

  

  对于电帆,不同天体活动产生的动量

  计算结果显示,一次普通的超新星爆发,就足以驱动航天器达到相对论性速度。而对于这两种驱动方式的对比,作者表示,他们更倾向于电帆。要知道,即使是星际空间,也不是空无一物,航天器在行进路线上可能遭到气体或灰尘的威胁,而电帆可以让这些物体偏转方向,保证了航天器的安全。此外,经过漫长的星际旅行,航天器接近目的地时需要减速,而电帆航天器在这一点上也明显强于光帆。

  不过,作者也承认,这个想法足够大胆,但还不够完美。要实现超新星爆发推动的星际旅行,有几个问题需要注意解决。

  首先,就是如何准确地预测超新星何时爆发。正如地震学家可以预知某个地区发生地震的风险,但却无法将预测地震的时间精确到天;天文学家也可以看出哪些大质量恒星已经不稳定、处于爆发边缘,但要预测超新星将在哪个世纪爆发,也是不切实际,更不用说精确到年了。当然,如果一些高级外星文明可以做到这一点,倒也不算奇怪。

  如果选定了目标恒星,计划将航天器送往恒星周围,这时需要注意:在等待爆发的时间内,航天器需要将帆折叠,否则可能还没有等到爆发,就被辐射推远了。同样,在完成加速后,帆也需要再次折叠,一方面减少与周围气体的阻力,另外也尽可能避免被星际尘埃击中。也就是说,除了超新星爆发、接收能量的那一段时间,航天器的帆都需要收紧。

  另外,帆需要选用高反射性材料,避免因为吸收过多的热量而燃烧起来。

  寻找外星文明?

  当然,即使是再疯狂的科学家,也不会认为我们人类可以在有生之年掌握这项技术。既然做不出来,这项研究就没有任何实际意义了?

  一些科学家并不这样认为。搜寻地外文明计划(SETI)的科学家正通过宇宙深处的各种迹象,寻找高级外星文明。作为我球的铁粉,你可能注意到,近期我们发布的两篇文章,都讲述了如何寻找外星文明的迹象。其中一篇介绍了不久前去世的著名物理学家弗里曼·戴森提出的“戴森球”设想:为了获取主星的全部能量,外星文明用能量收集器将其主星包裹起来,构建出一个巨大的球体。另一篇文章中,诺奖得主弗兰克·维尔切克则在专栏文章中,畅想了3个可能与外星文明有关的天文现象,例如系外行星无法用其他原因解释的相似大气特征、异常的高温。

  从某种意义上说,超新星推进器可以说是反向戴森球:戴森球是“向内收缩”,将主星封闭起来,尽可能多地收集恒星稳定释放的能量;而超新星推进器则是向外延伸,利用星体爆发时剧烈释放的能量,实现星际旅行。

  尽管人类自己无法利用超新星的能量,但如果我们能够在天文望远镜中发现飞行器接近光速行进的现象,就有可能顺藤摸瓜,找到外星文明的迹象。不过,要做到这一点也不容易,毕竟在超新星爆发时,喷射物的速度本身就能达到0.1倍光速甚至更快。如何区分自然与人造物体?如果真的以此为目的开展观测,相信天文学家能找到合适的分辨方式。

  做完理论计算后,本文作者Lingam还设想了一个诙谐却又惊悚的场景:正如本文导语展示的,如果有多个高级外星文明,他们都知道哪个超新星将要爆发,那么可以预见的是,我们在观测这颗星体时,将在它周围看到大量停泊在此的航天器。此时的超新星如同一次性的航天发射场:一旦爆发,众多航天器将朝着各个方向发射出去。想想如此壮观的景象,真是害怕却又莫名地期待呢!

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