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天文|大气层能使一艘失控的宇宙飞船减速吗？

尤里·米尔纳（Yuri Milner）和斯蒂芬·霍金（Stephen Hakwing）联手宣布了“Breakthrough Starshot”计划 。 这个计划是利用一个巨大的激光阵列来加速一个非常轻的激光帆 ， 并将其连接在宇宙飞船上 ， 使之以超过光速20%的速度航行 ， 目标是离我们最近的恒星之一 。

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图片来源:Breakthrough Starshot ， “starchip”飞船激光帆的概念 。
在这样的速度下 ， 宇宙飞船应在其发射后一个人的生命周期内到达 ， 多么伟大的壮举！虽然要让这个项目成为现实 ， 还需要面对大量难以置信的技术和经济挑战 ， 但亚历克斯·斯托克顿（Alex Stockton）准备实现它 ， 可问题也随之而来：

“爸爸和我一直在讨论尤里·米尔纳（Yuri Milner）和斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）提出的宇宙飞船的可能性 。 爸爸推测 ， 一旦飞船抵达一颗行星 ， 就会利用大气阻力来减慢它的速度 。 我认为减速效果绝对不会很明显 ， 且会导致巨大的爆炸 。 究竟谁是对的？”

毕竟 ， 飞船穿越数光年到达附近的行星系 ， 其目的大概不只是将太空垃圾带到整个银河系 。
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艺术家构想的“starchip”—一张Breakthrough Starshot视频中的截图 。

与此相反的是 ， 我们想要建立一个普遍存在于外星世界的系统 ， 具有充分的潜能去探索外星世界 ， 获取数据 ， 甚至有一天把我们发现的东西还给我们之中仍然生活在地球上的人 。 目前 ， 我们已经从遥远的系外行星研究中了解了大量关于外星太阳系的知识 ， 但是—正如“新地平线”号、“黎明”号和“卡西尼”号等任务所显示 ， 即使是在我们自己的太阳系中—也无法做到如此 。

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系外星系图解 。 图源：NASA/David Hardy ， astroart.org 。

如果我们能做到这一点 ， 这本身就是一个不可思议的壮举 。 如果我们能成功地瞄准目标 ， 并将自身加速到足够的精度和强度 ， 我们就能以大约每秒6万公里的速度到达我们任何与我们相关的行星或恒星系统 。 想想这个速度：每秒6万公里 ， 或大约每小时1.34亿英里 。 如果这听起来比你知道的任何其他事情都要快 ， 那么有一个很好的理由：确实如此 。 它比我们所知道的任何宏观物体都要快 ， 比我们逃离我们银河系的引力所需要的速度还要快百倍 。 如果你撞入了一个很小且在扩散的中性气体区域 ， 所产生的热量将是巨大的 。 毕竟 ， 在是低速几千倍的速度时 ， 只有最先进的防热罩才能在重返地球大气层时幸存下来 。

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图片来源:NASA/Kim Shiflett ， 宇航员Bob Crippen的Gemini-B太空舱 ， 以及严重受损(但完好无损！)的隔热罩 。

但是以几千倍的速度前进会使情况变得更糟 。 如果你曾经在街上开车时打开车窗 ， 你可能会注意到关于风力的一些有趣的事情:如果你以两倍的速度行驶 ， 你会感觉到四倍的风力 。 航天器的能量、摩擦和加热也存在同样的问题；如果你以两倍的速度运动 ， 你会以四倍的速度升温 ， 如果你以十倍的速度运动 ， 你会以一百倍的速度升温 。 要了解“starchip”飞船在大气层中可能经历的情况 ， 你可以类比一个与我们在地球上所经历过的最接近的情况:流星 。

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2014年 ， 阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列拍摄 。 图片来源:ESO / C 。 马林 。 2014年 ， 阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列拍摄 。 图片来源:ESO / C 。 马林 。

在流星雨中撞击地球的大多数流星的质量与这些航天器的质量相当:总质量在0.1克到10克之间 。 然而 ， 流星的动能大小与流星的质量成正比 ， 也与它在大气中速度的平方成正比 。 这些流星移动速度很快:大约在每秒20到110公里 ， 通常在不到一秒的时间内就会在大气层中燃烧殆尽 。 在一场漫长而壮观的流星雨的过程中 ， 你可能会在一个晚上看到数十甚至数百个这样的火红条纹 。

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现在我们来看看航天器:质量相当 ， 但速度大约是一般流星的1000倍 。 这意味着 ， 就动能而言 ， 它需要处理和消散的能量大约是典型流星的100万倍 。 一颗行星被以60km /s速度移动的1克宇宙飞船击中 ， 将会经历与一颗以60km /s速度移动的1吨小行星击中相同的灾难性后果:地球上每十年才会发生一次这样的情况 。

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在这么高的速度下 ， 航天器材料本身会变成等离子体 ， 上面的原子与分子的电子会被剥离 。 如果宇宙飞船像预想的那样薄且展开 ， 它将在几微秒内解体 ， 这是件好事 ， 因为它从类似地
球的大气层顶部到地面只需要大约1000微秒 。

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如果你想让你的飞船保持完整 ， 减速的最佳希望就是在你的目的地有相同类型的激光阵列 ， 其准备为你的飞船提供最初加速它的相同频率的光 。 我们已经在设计材料方面取得了卓越的成就 ， 这些材料可以反射99.999%的特定频率的光 ， 这就是为什么激光帆的概念是可行的 。 但如果你遇到的不是这个频率的光——包括任何其他形式的辐射或相关的物质——你会吸收大量的能量 。 在这样的速度下 ， 那就意味着解体 。 所以 ， 亚历克斯 ， 我很遗憾地告诉你和你爸爸 ， 是的 ， 大气阻力会让你的宇宙飞船稍微慢下来 ， 但它的运行方式会导致一场大灾难 ， 它会彻底摧毁你宇宙飞船上的所有东西 ， 甚至是单个的原子本身 。
作者：Ethan Siegel Senior Contributor
FY：Brandon
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