超新星爆發(fā)藝術(shù)圖（圖片來源：NASA）

在宇宙深處，一顆垂暮之年的大質(zhì)量恒星隨時將以劇烈的爆炸結(jié)束一生。但在距離這顆恒星數(shù)百萬千米的地方，卻停泊了無數(shù)由光帆或電帆驅(qū)動的航天器。它們將帆收緊，調(diào)整好方向，等待著超新星爆發(fā)的那一刻——與其說是參加恒星的葬禮，不如說在期待利用爆發(fā)產(chǎn)生的動力，讓自己遨游星際。

隨著一束亮度相當(dāng)于太陽數(shù)十億倍的光芒，超新星爆發(fā)。這些航天器展開帆，接收著來自超新星的“燃料”，加速至超過0.1倍光速，甚至更快的速度，開始長的星際旅行。

這樣的場景可能來自科幻，也可以是物理學(xué)家經(jīng)過理論計算的科學(xué)結(jié)果。這不，哈佛大學(xué)的兩位物理學(xué)家就通過計算證實了將超新星爆發(fā)用作動力、實現(xiàn)星際旅行的可能性，并且將論文發(fā)布至預(yù)印本網(wǎng)站arXiv。

洗澡時的靈感

提出這個大膽的想法的，是本文作者之一Abraham Loeb。Loeb是哈佛大學(xué)天文學(xué)系主任，而他的另一個身份，是“突破攝星”計劃咨詢委員會的一員。

“突破攝星”計劃于2016年提出，人們對它最深刻的印象，可能是尤里·米爾納投入的1億美元啟動經(jīng)費，以及斯蒂芬·霍金和馬克·扎克伯格的支持。這個計劃希望通過地面上由1億個激光器組成的大型陣列，釋放激光、推動航天器上的光帆，將它加速至光速的五分之一，飛往4.3光年外的半人馬座α星。如果計劃最終成功實施，這場預(yù)期時長20年的星際旅行，將是人造物體首次造訪另一個星系。

不過，“突破攝星”計劃仍停留在設(shè)想階段，而且Loeb也認(rèn)為，這個計劃耗資巨大，地面激光陣列的功率需要達(dá)到驚人的每平方米100億瓦。

在這個雄心勃勃的計劃前途未卜時，Loeb想到，宇宙中本身或許就存在更加強大的燃料。

Loeb表示，他去年年底在家里洗澡時（是的，又是洗澡），突然迸發(fā)了靈感。太陽每時每刻都在輻射能量，亮度有限的太陽雖能帶給地球溫暖，卻不能用作航天器前進(jìn)的推動力。但如果是質(zhì)量更大、更明亮的星體，尤其是超新星爆發(fā)時釋放的巨大能量，是否足夠呢？

于是，Loeb與另一位哈佛大學(xué)物理學(xué)家Manasvi Lingam合作，計算利用超新星爆發(fā)等天文事件，能否實現(xiàn)星際旅行。

接近光速

他們的目標(biāo)，是將航天器加速至相對論性速度（relativistic speeds）。這里需要簡單介紹，什么是相對論性速度。我們知道，一個物體的能量包含靜止質(zhì)量的能量（也就是熟悉的E=mc2）和動能。一般情況下，靜止能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于動能，所以后者幾乎可以忽略。而達(dá)到相對論性，就是動能足夠大——不僅無法忽視，還超過了靜止能量。

在此基礎(chǔ)上，更近一步的是極端相對論性速度（ultrarelativistic speeds）。這時物體的動能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜止能量了，因此在計算其總能量時，靜止能量可以忽略。為了實現(xiàn)這一點，運動速度需要非常接近光速。

作者所做的，正是探索通過天文事件釋放的能量達(dá)到相對論性速度，甚至是極端相對論性速度的可能性。

兩種驅(qū)動方式

在他們的數(shù)學(xué)模型中，他們考慮了兩種能量收集方式：一類與突破攝星計劃相似，通過光帆接收光子，產(chǎn)生前進(jìn)的推力；另一種則是電帆，通過接收靜電力前進(jìn)。航天器每平方米帆的質(zhì)量不到0.5克，最初通過化學(xué)燃料送至距離天體數(shù)百萬千米的地方準(zhǔn)備就緒。

而對于能量來源，研究者在關(guān)注超新星爆發(fā)的同時，還考慮了大質(zhì)量恒星、微類星體、脈沖風(fēng)星云、活躍星系核等釋放能量不等的天體活動。

最重要的問題，自然是航天器可以被加速到什么程度。以光帆為例，主要影響因素是天體的亮度。（對于不同類型的事件，還有一些其他影響因素，作者做了相應(yīng)的校對）常見的超新星爆發(fā)亮度相當(dāng)于太陽的109倍，此時，航天器可以加速到0.15倍光速，已經(jīng)足夠達(dá)到相對論性速度了。而最明亮的“極亮型”超新星爆發(fā)，亮度可以達(dá)到太陽的5×1012倍。如果被航天器盯上，這次爆發(fā)可以將它加速至超過0.6倍光速——快了很多，不過還是無法達(dá)到極端相對論性速度。

還可以更快嗎？研究人員發(fā)現(xiàn)，對于活躍星系核（即星系中心質(zhì)量密集且活躍的區(qū)域，通常是大型黑洞所在的位置），其經(jīng)過校正的亮度超過太陽的1015倍，這時航天器速度達(dá)到了0.938倍光速，不過呢，還沒有達(dá)到可以無視靜止能量的程度。

對于光帆，不同天體活動能驅(qū)動產(chǎn)生的動量，其中γβ=v/（c2-v2）0.5

此外，作者還計算了使用電帆時的結(jié)果。航天器的速度量級總體與光帆驅(qū)動的相近，不過需要注意的是脈沖風(fēng)星云——這種星云可以驅(qū)使電帆的相對論因子（γ）達(dá)到104~105。γ相當(dāng)于c/（c2-v2）0.5。（其中c為光速）讀者稍作計算，便可驚訝地發(fā)現(xiàn)，此時航天器的速度已經(jīng)相當(dāng)接近光速。

對于電帆，不同天體活動產(chǎn)生的動量

計算結(jié)果顯示，一次普通的超新星爆發(fā)，就足以驅(qū)動航天器達(dá)到相對論性速度。而對于這兩種驅(qū)動方式的對比，作者表示，他們更傾向于電帆。要知道，即使是星際空間，也不是空無一物，航天器在行進(jìn)路線上可能遭到氣體或灰塵的威脅，而電帆可以讓這些物體偏轉(zhuǎn)方向，保證了航天器的安全。此外，經(jīng)過漫長的星際旅行，航天器接近目的地時需要減速，而電帆航天器在這一點上也明顯強于光帆。

不過，作者也承認(rèn)，這個想法足夠大膽，但還不夠完美。要實現(xiàn)超新星爆發(fā)推動的星際旅行，有幾個問題需要注意解決。

首先，就是如何準(zhǔn)確地預(yù)測超新星何時爆發(fā)。正如地震學(xué)家可以預(yù)知某個地區(qū)發(fā)生地震的風(fēng)險，但卻無法將預(yù)測地震的時間精確到天；天文學(xué)家也可以看出哪些大質(zhì)量恒星已經(jīng)不穩(wěn)定、處于爆發(fā)邊緣，但要預(yù)測超新星將在哪個世紀(jì)爆發(fā)，也是不切實際，更不用說精確到年了。當(dāng)然，如果一些高級外星文明可以做到這一點，倒也不算奇怪。

如果選定了目標(biāo)恒星，計劃將航天器送往恒星周圍，這時需要注意：在等待爆發(fā)的時間內(nèi)，航天器需要將帆折疊，否則可能還沒有等到爆發(fā)，就被輻射推遠(yuǎn)了。同樣，在完成加速后，帆也需要再次折疊，一方面減少與周圍氣體的阻力，另外也盡可能避免被星際塵埃擊中。也就是說，除了超新星爆發(fā)、接收能量的那一段時間，航天器的帆都需要收緊。

另外，帆需要選用高反射性材料，避免因為吸收過多的熱量而燃燒起來。

尋找外星文明？

當(dāng)然，即使是再瘋狂的科學(xué)家，也不會認(rèn)為我們?nèi)祟惪梢栽谟猩暾莆者@項技術(shù)。既然做不出來，這項研究就沒有任何實際意義了？

一些科學(xué)家并不這樣認(rèn)為。搜尋地外文明計劃（SETI）的科學(xué)家正通過宇宙深處的各種跡象，尋找高級外星文明。作為我球的鐵粉，你可能注意到，近期我們發(fā)布的兩篇文章，都講述了如何尋找外星文明的跡象。其中一篇介紹了不久前去世的著名物理學(xué)家弗里曼·戴森提出的“戴森球”設(shè)想：為了獲取主星的全部能量，外星文明用能量收集器將其主星包裹起來，構(gòu)建出一個巨大的球體。另一篇文章中，諾獎得主弗蘭克·維爾切克則在專欄文章中，暢想了3個可能與外星文明有關(guān)的天文現(xiàn)象，例如系外行星無法用其他原因解釋的相似大氣特征、異常的高溫。

從某種意義上說，超新星推進(jìn)器可以說是反向戴森球：戴森球是“向內(nèi)收縮”，將主星封閉起來，盡可能多地收集恒星穩(wěn)定釋放的能量；而超新星推進(jìn)器則是向外延伸，利用星體爆發(fā)時劇烈釋放的能量，實現(xiàn)星際旅行。

盡管人類自己無法利用超新星的能量，但如果我們能夠在天文望遠(yuǎn)鏡中發(fā)現(xiàn)飛行器接近光速行進(jìn)的現(xiàn)象，就有可能順藤摸瓜，找到外星文明的跡象。不過，要做到這一點也不容易，畢竟在超新星爆發(fā)時，噴射物的速度本身就能達(dá)到0.1倍光速甚至更快。如何區(qū)分自然與人造物體？如果真的以此為目的開展觀測，相信天文學(xué)家能找到合適的分辨方式。

做完理論計算后，本文作者Lingam還設(shè)想了一個詼諧卻又驚悚的場景：正如本文導(dǎo)語展示的，如果有多個高級外星文明，他們都知道哪個超新星將要爆發(fā)，那么可以預(yù)見的是，我們在觀測這顆星體時，將在它周圍看到大量停泊在此的航天器。此時的超新星如同一次性的航天發(fā)射場：一旦爆發(fā)，眾多航天器將朝著各個方向發(fā)射出去。想想如此壯觀的景象，真是害怕卻又莫名地期待呢！