本文基于回答網友邀答的問題,見截圖:
這是一個非常有意思的想法。近期正好有一顆太陽系外的天體進入人類視野,且正在朝著我們飛來,在未來一年時間里,會一直在天文學家們的觀測范圍。如果能夠在這樣一顆太陽系外來的星際天體上安裝一個探測器,讓其無需動力乘坐這種免費“空中巴士”,到遙遠的天際一游,并將一路觀測到的各種數據發送回來供人類研究,豈不快哉?
這顆新近闖入太陽系的星際天體,于今年7月1日被位于智利奧烏爾塔多的ATLAS望遠鏡發現,開始臨時編號為“A11pl3Z”,后來正式編號為“C/2025N1”,為了紀念發現它的望遠鏡,被命名為“3I/ATLAS”。
這是人類發現的第三顆太陽系外星際天體。第一次發現于2017年,編號為“C/2017U1”,是一顆雪茄狀的小行星,昵稱被稱為“奧陌陌”;第二次發現于2019年,編號為“2I/2019Q4”,為紀念發現它的業余天文學家根納迪·鮑里索夫,命名為“2I/鮑里索夫(2I/Borisov)”。
“3I/ATLAS”的運動軌道屬于不閉合雙曲線,且運行速度極快,達到每秒60公里,由此天文學家們認定這是一顆太陽系以外闖入的天體。剛發現時,被認為其直徑達到20~40公里,如此巨大的系外小行星闖入,令人震驚。但現在已經基本認定這是一顆類彗星天體,去除其慧發影響,固體內核直徑可能約為4~5公里。
“3I/ATLAS”被發現時距離太陽約為6.7億公里,這已經近于木星軌道;經過16天運動,現在距離太陽約6.1億公里,由于太陽引力拉扯作用,速度已從每秒60公里提升到了61公里,而且依然在加速。經測算,“3I/ATLAS”到達太陽引力拐點,也就是圍繞著太陽拐個彎轉向太陽系外飛去的那個點,速度峰值將達到每秒68公里。
根據“3I/ATLAS”的飛行軌跡和速度測算,它將于2025年10月29日到達近日點,屆時距離太陽1.38天文單位,也就是約2.06億公里。這個距離相當在火星與地球軌道之間,之后,“3I/ATLAS”將轉頭向太陽系外飛去,幾個月后,漸漸消失在人類視野外。
由于“3I/ATLAS”進入拐點時與地球并沒有在太陽同一側,因此其近日點時并非近地點。“3I/ATLAS”與地球最近時的位置,是在其掠過太陽拐點一個半月之后的12月19日,這時它會與地球擦肩而過。不過這個“擦肩”的近地點距離約為2.76億公里,是地球與火星最近距離的5倍多,因此,碰撞的幾率幾乎為零。
之后,“3I/ATLAS”會一往無前地向外太空飛去,雖然由于太陽引力牽制,其速度會逐漸略微減緩,但直到飛出太陽引力圈,速度還會保持在每秒58公里左右,以后如沒有意外,就一直會保持這個速度。這個速度遠超太陽系的逃逸速度(第三宇宙速度,每秒16.7公里),因此,“3I/ATLAS”將一去不復返,永不回頭。
那么,如果發射一個探測器固定在“3I/ATLAS”上面,利用這顆來自遙遠太空的彗星,以人類目前還還難以企及的速度,一路飛出太陽系,這種想法有意義嗎?
當然有,如果真能做到的話,意義還很重大,具體列舉如下:
首先,可以對星際物質進行原位探測。牛津大學團隊通過歐洲空間局 “蓋亞” 探測器的數據模擬發現,3I/ATLAS很可能來自銀河系的厚盤區域,這是銀河系中一個古老恒星構成的結構,位于太陽所在的薄盤上方,那里恒星的年齡普遍超過80億歲。由此推測3I/ATLAS的母星可能是一顆年齡超過80億歲的紅矮星或類似天體,這個天體在形成早期,可能通過引力相互作用將3I/ATLAS拋到了星際空間,讓其在宇宙中流浪了數十億年。
如果能夠發射探測器固定在這顆彗星上,就能弄清它的成分和結構,并分析得到它的年齡及其經歷。要知道太陽系的年齡才50億年,研究這種遠超太陽系年齡的天體,弄清它的來龍去脈和狀態,對于宇宙起源及銀河系起源,乃至太陽系起源、生命起源的研究突破都有著重大意義。
其次,這是一顆高速運動的天體,至少比人類目前發射的航天器要快兩到三倍。人類飛得最遠的無人探測器旅行者一號,以每秒17公里的速度,飛到太陽風頂層用了35年,到現在已經飛了48年,才飛離我們約250億公里。如果搭乘“3I/ATLAS”,飛到太陽風頂層只需不到10年,飛到旅行者一號現在的距離只需要13年。
“3I/ATLAS”保持這種速度一直飛下去,只要約18年多就能超越旅行者一號到達人類觸及地最遠空間,由此就能夠得最遠更新的空間情況。在這樣高速“巴士”上,將人類尚未觸及地深空資訊源源不斷地發送回來,讓人類更快了解宇宙中最新信息,對人類文明發展將起到極大作用。
再次,搭乘這種免費“太空巴士”無需自主推進系統,也不需要導航和糾正軌道,可以節省大量燃料。且探測器可以永遠的運行下去,直到億萬年后。當然,要維持探測器儀器工作運行,還是需要有足夠能量維系,能源枯竭后,探測器雖然還能附著在這輛“太空巴士”上,也與人類再無聯系,只能作為人類文明遺跡,等待著被“外星人”發現并研究。
那么,搭乘“3I/ATLAS”這種免費“太空巴士”的探測器,與人類自己發送的探測器有哪些區別呢?我想,至少有如下幾個區別:
直接發射的獨立探測器,可以根據人類給定的目標和任務運動,如旅行者一號先后探測了木星、土星及其一些衛星,并拍攝了太陽系全家福,完成任務后才向太陽系外飛去;而搭乘“太空免費公交”的探測器只能被動跟著載體的軌跡,探索方向和目標不受人類控制。
直接發射的探測器獨立探索遙遠空間環境,并獨立驗證深空導航與生存技術,為人類未來深空遠航積累經驗;而搭乘“太空免費公交”的探測器則較為被動,只能根據載體軌跡探測周邊情況,且受載體本身物質氣體影響干擾,難以純凈客觀分析深空物質及其輻射狀況。
直接發射的探測器能夠受人類控制,可以規避一些太空風險,有既定的任務時間和壽命;搭乘“太空巴士”的探測器則風險不可控,比如在接近太陽時,彗星的揮發會加強,甚至出現表面崩塌解體等狀況,此時探測器是否安全則難以預料,由此,其壽命具有不確定性。
因此,人類直接發射探測器,與發射探測器搭乘“太空巴士”各有利弊。現在的問題是,即便有心發射一艘探測器,去搭乘“3I/ATLAS”這個“太空巴士”,有這個能力做到嗎?
可以肯定地回答,沒有。因為憑著人類現代科技水平,根本還不具備這個能力,理由至少(但不限于)如下幾點:
1、時間窗口極端緊迫,根本不夠。星際天體從發現到飛離太陽系的時間極短,如“3I/ATLAS” 從 2025 年 7 月發現,到 2026 年飛離,給人類的時間窗口只有約 1 年,要建造發射一艘探測器,必須在數月內完成設計、發射、追蹤、附著,現有人類技術根本做不到。實際上,截至目前,任何重大航天任務的規劃設計制造和發射,所需準備時間都需要數年到十數年。
如旅行者一號從立項到發射就耗時了10 年;日本研發隼鳥號小行星探測器也花了十幾年時間;歐洲“羅塞塔彗星彗核取樣計劃”1991年啟動,研發了14年,2004年發射后,又在太空花了10年的時間去追趕67P(丘留莫夫-格拉西緬科彗星);美國NASA“雙小行星重定向測試”任務研發了7年,于2021年發射(DART)航天器,在太空追蹤了10個月,才接近距離地球僅1100萬公里的“迪莫弗斯”小行星,實現了撞擊,完成人類首次主動防御小行星威脅的任務。
需要強調的是,以上太空任務的探索對象,都是早已經被科學界關注甚至熟知的天體,上述任務時間并未包括了解這些天體的時間。由此,要想在一顆突然出現的彗星上“埋地雷”,一兩年時間是遠遠不夠的。
2、人造航天器從初始速度到達到數十公里高速需要足夠的時間,且在高相對速度下對接難度極大。“3I/ATLAS” 的速度達 60 公里 / 秒,而采用化學燃料的火箭發射最大速度只能達到每秒11公里左右,要提高速度,就需要通過復雜的引力彈弓組合,如經過多次借力木星、土星、金星乃至太陽等天體的引力提速,才能達到追上“3I/ATLAS” 的速度。對接前,航天器又需要減速,與“3I/ATLAS” 的相對速度誤差需控制在0.1米/秒以下,最終實現厘米級精度的軟對接。
這些都需要長久的時間調控和磨合。初步測算,探測器需攜帶15-20 噸燃料(液氫 + 氙氣),經過數年到數十年時間,采用各種組合方案,并突破超高速對接技術,才可能實現與 3I/ATLAS 的對接。因此,這只能是未來至少四五十年后的技術,現有技術框架下是無法做到的。
3、這種探測器需要適應天體的極端環境,對接固定在“3I/ATLAS”這種天體上的難度極高。“3I/ATLAS”的表面可能覆蓋水冰、甲烷和有機塵埃,存在速度達 1.5 公里 / 秒以上的氣體噴流。傳統錨定裝置(如 “羅塞塔號” 的魚叉)可能失效,需開發形狀記憶合金錨爪和自適應粘附材料(如碳納米管陣列),能在-200°C 至 300°C范圍內保持黏性。
因此,如果要發射探測器到“3I/ATLAS” 上固定,就要了解弄清楚其各方面狀態后,才能有針對性設計制造,這些都需要長時間觀測研究,還需技術上的重大突破。
4、即便成功對接,要得到探測器發回的信息,還需要深空通信的極限突破。距離地球越遠,信號衰減越嚴重(與距離平方成反比),旅行者一號目前距地球約 250 億公里,信號傳輸需 23 小時,接收端需超大口徑天線(如 NASA 的深空網絡);搭“太空巴士”的探測器隨天體遠離后,同樣面臨通信難題,但由于其路徑不可控,可能更早進入信號 “盲區”。這樣,十幾年后可能早就超出現代技術能夠接受到的范圍。
所以,這種搭乘免費“太空巴士”探測外太空的想法雖然很好,但當前人類科技狀態下根本無法做到,且實際上并不免費,花費之大甚至超出想象,何況權衡利弊也似乎沒有這個必要。當然,在未來五十年到一百年后,人類科技發展到更高層次,財富也爆棚,這種想法或許會變成現實。對此,各位有什么看法,歡迎討論。
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