本文来自微信民众号：全球科学（ID：huanqiukexue），作者：吴非，原题目：《反向戴森球？哈佛物理学家提出惊人设想：行使超新星发作靠近光速，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猛烈的爆炸竣事一生。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，调整好偏向，守候着超新星发作的那一刻——与其说是加入恒星的葬礼，不如说在期待行使发作发生的动力，让自己遨游星际。

随着一束亮度相当于太阳数十亿倍的光泽，超新星发作。这些航天器睁开帆，吸收着来自超新星的“燃料”，加速至跨越0.1倍光速，甚至更快的速率，最先长的星际旅行。

这样的场景可能来自科幻，也可以是物理学家经由理论盘算的科学效果。这不，哈佛大学的两位物理学家就通过盘算证实了将超新星发作用作动力、实现星际旅行的可能性，而且将论文公布至预印本网站arXiv。

沐浴时的灵感

提出这个勇敢的想法的，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”设计咨询委员会的一员。

“突破摄星”设计于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。这个设计希望通过地面上由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。若是设计最终乐成实行，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。

不外，“突破摄星”设计仍停留在设想阶段，而且Loeb也以为，这个设计耗资伟大，地面激光阵列的功率需要到达惊人的每平方米100亿瓦。

在这个雄心壮志的设计前途未卜时，Loeb想到，宇宙中自己或许就存在加倍壮大的燃料。

Loeb示意，他去年年底在家里沐浴时（是的，又是沐浴），突然迸发了灵感。太阳时时刻刻都在辐射能量，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。但若是是质量更大、更明亮的星体，尤其是超新星发作时释放的伟大能量，是否足够呢？

于是，Loeb与另一位哈佛大学物理学家Manasvi Lingam互助，盘算行使超新星发作等天文事宜，能否实现星际旅行。

靠近光速

他们的目的，是将航天器加速至相对论性速率（relativistic speeds）。这里需要简朴先容，什么是相对论性速率。我们知道，一个物体的能量包罗静止质量的能量（也就是熟悉的E=mc²）和动能。一样平常情况下，静止能量远远大于动能，以是后者险些可以忽略。而到达相对论性，就是动能足够大——不仅无法忽视，还跨越了静止能量。

在此基础上，更近一步的是极端相对论性速率（ultrarelativistic speeds）。这时物体的动能已经远远大于静止能量了，因此在盘算其总能量时，静止能量可以忽略。为了实现这一点，运动速率需要异常靠近光速。

作者所做的，正是探索通过天文事宜释放的能量到达相对论性速率，甚至是极端相对论性速率的可能性。

两种驱动方式

在他们的数学模型中，他们思量了两种能量网络方式：一类与突破摄星设计相似，通过光帆吸收光子，发生前进的推力；另一种则是电帆，通过吸收静电力前进。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。

而对于能量泉源，研究者在关注超新星发作的同时，还思量了大质量恒星、微类星体、脉冲风星云、活跃星系核等释放能量不等的天体流动。

最主要的问题，自然是航天器可以被加速到什么水平。以光帆为例，主要影响因素是天体的亮度。（对于差别类型的事宜，另有一些其他影响因素，作者做了响应的校对）常见的超新星发作亮度相当于太阳的10⁹倍，此时，航天器可以加速到0.15倍光速，已经足够到达相对论性速率了。而最明亮的“极亮型”超新星发作，亮度可以到达太阳的5×10¹²倍。若是被航天器盯上，这次发作可以将它加速至跨越0.6倍光速——快了许多，不外照样无法到达极端相对论性速率。

还可以更快吗？研究人员发现，对于活跃星系核（即星系中央质量麋集且活跃的区域，通常是大型黑洞所在的位置），其经由校正的亮度跨越太阳的10¹⁵倍，这时航天器速率到达了0.938倍光速，不外呢，还没有到达可以无视静止能量的水平。

对于光帆，差别天体流动能驱动发生的动量，其中γβ=v/(c²-v²)^0.5 

此外，作者还盘算了使用电帆时的效果。航天器的速率量级总体与光帆驱动的相近，不外需要注重的是脉冲风星云——这种星云可以驱使电帆的相对论因子（γ）到达10⁴~10⁵。γ相当于c/(c²-v²)^0.5。（其中c为光速）读者稍作盘算，便可惊讶地发现，此时航天器的速率已经相当靠近光速。

对于电帆，差别天体流动发生的动量

盘算效果显示，一次通俗的超新星发作，就足以驱动航天器到达相对论性速率。而对于这两种驱动方式的对比，作者示意，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偏向，保证了航天器的平安。此外，经由漫长的星际旅行，航天器靠近目的地时需要减速，而电帆航天器在这一点上也显著强于光帆。

不外，作者也认可，这个想法足够勇敢，但还不够完善。要实现超新星发作推动的星际旅行，有几个问题需要注重解决。

首先，就是若何准确地展望超新星何时发作。正如地震学家可以预知某个区域发生地震的风险，但却无法将展望地震的时间正确到天；天文学家也可以看出哪些大质量恒星已经不稳固、处于发作边缘，但要展望超新星将在哪个世纪发作，也是不切实际，更不用说正确到年了。固然，若是一些高级外星文明可以做到这一点，倒也不算新鲜。

若是选定了目的恒星，设计将航天器送往恒星周围，这时需要注重：在守候发作的时间内，航天器需要将帆折叠，否则可能还没有等到发作，就被辐射推远了。同样，在完成加速后，帆也需要再次折叠，一方面削减与周围气体的阻力，另外也尽可能制止被星际灰尘击中。也就是说，除了超新星发作、吸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质料，制止由于吸收过多的热量而燃烧起来。

寻找外星文明？

固然，即使是再疯狂的科学家，也不会以为我们人类可以在有生之年掌握这项手艺。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以为。征采地外文明设计（SETI）的科学家正通过宇宙深处的种种迹象，寻找高级外星文明。作为我球的铁粉，你可能注重到，近期我们公布的两篇文章，都讲述了若何寻找外星文明的迹象。其中一篇先容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：为了获取主星的所有能量，外星文明用能量网络器将其主星包裹起来，构建出一个伟大的球体。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征象，例如系外行星无法用其他缘故原由注释的相似大气特征、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“向内缩短”，将主星封锁起来，尽可能多地网络恒星稳固释放的能量；而超新星推进器则是向外延伸，行使星体发作时猛烈释放的能量，实现星际旅行。

只管人类自己无法行使超新星的能量，但若是我们能够在天文望远镜中发现飞行器靠近光速行进的征象，就有可能顺藤摸瓜，找到外星文明的迹象。不外，要做到这一点也不容易，毕竟在超新星发作时，喷射物的速率自己就能到达0.1倍光速甚至更快。若何区分自然与人造物体？若是真的以此为目的开展观察，信赖天文学家能找到合适的分辨方式。

做完理论盘算后，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，若是有多个高级外星文明，他们都知道哪个超新星将要发作，那么可以预见的是，我们在观察这颗星体时，将在它周围看到大量停泊在此的航天器。此时的超新星犹如一次性的航天发射场：一旦发作，众多航天器将朝着各个偏向发射出去。想想云云壮观的情景，真是畏惧却又莫名地期待呢！

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

本文来自微信民众号：全球科学（ID：huanqiukexue），作者：吴非