以光速的20％飛行將會有多危險

「突破攝星」項目是過去十年中提出的最令人激動的科學設想之一。該項目計劃向距地球最近的恆星發射航天器，目前在世的大多數人在有生之年都能親眼見證。雖然從理論上來說，在對現有技術做適當延伸之後，該設想是可以實現的，但還有大量細節需要驗證，因為有一個問題對於該項目來說可能是致命性的。

先來聽一點好消息：「突破攝星」正在為必需的研究項目提供資金贊助，仔細驗證該項目運用的科學概念。該團隊近日在arXiv網站上發表了一篇論文預印本，詳細地分析了在高速航行時、航天器能經得住這種長途旅行的概率有多大。總的來說，事情看上去還是很順利的，但分析結果顯示，航天器還需要在防護罩上再下一點功夫，僅僅是一小粒灰塵，就有可能引發災難性的後果。

該研究團隊由四名天文學家組成，他們關注的是最為基本的問題之一：航天器的生存幾率。「突破攝星」項目希望能把航天器加速到光速的20%左右。以這樣的高速飛行時，甚至一個小小的原子都能讓航天器受到嚴重破壞，如果與灰塵相撞，結果更是災難性的。因此該研究團隊希望能弄清發生這種碰撞的風險究竟有多大。

從地球到最近的恆星之間的空間並非空無一物。早期形成的恆星在宇宙中留下了少量細小的塵埃粒子，各類宇宙活動也產生了很多單個的原子，四處分散在宇宙中。這些粒子會對航天器造成嚴重的威脅，科學家們對它們分別進行了單獨研究。

如果撞上一個原子，主要的問題不在於碰撞本身，而是撞擊產生的能量會聚積在航天器中，造成局部過熱，這會帶來兩種後果。如果溫度過高，航天器所用的材料就會蒸發到太空中；而如果溫度沒那麼高，就會出現局部材料融化，這部分材料重新凝固之後，材料的性狀就會發生改變。

研究人員利用石英(二氧化硅)做了撞擊測試，利用測試中得到的信息，再加上對宇宙中氣體濃度的測量結果，研究人員通過計算，描述了飛行過程中可能遭遇到哪些損傷。研究結果發現，雖然氫原子和氦原子是航天器可能撞上的最常見的粒子，但質量更重的原子、特別是氧原子、鎂原子和鐵原子等，會對航天器造成更嚴重的傷害。

塵埃則會帶來另一個問題。如果航天器撞上了體積較小的塵埃，效果就像同時撞上了很多個氣體原子一樣。因為與撞擊產生的能量相比，把這些原子聯結成一粒塵埃的能量幾乎微不足道，況且構成塵埃的主要是質量較重的原子。但如果塵埃的體積大到一定程度，撞擊產生的能量就足以摧毀航天器。而且所謂的「大到一定程度」也並沒有多大，研究人員估計，塵埃的直徑只需要達到15微米，就足以毀掉整艘航天飛船了。幸運的是，像這麼大的塵埃粒子是很少見的，撞上的幾率大約是1050分之一。

總的來說，研究人員認為，氣體原子對航天器的影響是很小的，造成的傷害頂多只有0.1毫米深。但塵埃就不一樣了，航天器撞上塵埃之後，表面可能會有1.5毫米厚的材料蒸發掉，如果材料融化的話，深度更是可能達到10毫米深。而航天器上的每一點材料都至關重要，因此這會對航天器造成十分嚴重的傷害。

研究人員提出了幾種可能會降低撞擊風險的方法。最簡單的一種方法是，減小航天器在前進方向上的橫斷面面積，如將太陽能板摺疊起來、藏在防護罩後面等等。航天器的主體部分也將做成子彈型，以便減少可能會撞上灰塵的區域面積。不過，如果太陽能板需要用來和地球取得聯繫的話，這種方法或許就不可行了。

既然最大的問題是局部過熱，該研究團隊還提出，在航天器前部增裝一層石墨，以便更高效地分散熱量。研究人員把石墨與石英對比後發現，使用了石墨之後，由撞擊引發的損失可以大大降低。

但研究人員並未解決由撞擊產生的動能改變問題。每一粒塵埃粒子都會讓航天器上的一小部分材料蒸發到太空中，從而對航天器產生反作用力，使它的運行方向發生輕微的改變。日積月累，這些撞擊坑會均勻分布在航天器的表面，但航天器的飛行軌跡也會發生一定的變化，這要取決於撞擊分布的均勻程度，以及經受撞擊的時間。

因此，這些撞擊可能會增加航天器抵達目標星球的難度。考慮到航天器上搭載的感測器質量也許會受到一定限制，要想讓航天器飛到其它恆星附近，也許並不是一件簡單的事情。

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