反向戴森球？利用超新星爆发接近光速，实现星际旅行

本文来自微信公众号：环球科学（ID：huanqiukexue），作者：吴非，原标题：《反向戴森球？哈佛物理学家提出惊人设想：利用超新星爆发接近光速，实现星际旅行》。题图来自NASA

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！

原始论文：

https://arxiv.org/pdf/2002.03247.pdf

参考链接：

https://blogs.scientificamerican.com/observations/surfing-a-supernova/

https://www.sciencealert.com/could-we-ride-the-wave-of-a-supernova-to-go-interstellar

本文来自微信公众号：环球科学（ID：huanqiukexue），作者：吴非