在整個人類歷史上，踏上星際之旅似乎是一個遙不可及的夢想，由於太陽與任何恆星鄰居之間的巨大距離，這幾乎是不可能的。
即使有了有史以來最強大的火箭技術，也需要數萬年的時間才能到達太陽系外最近的恆星。
即使是有史以來從地球上發射的最快的航天器-如旅行者號、先驅者號和新地平線號任務-在離開太陽系的途中也只以每秒幾十公里的速度移動，這意味著幾光年的旅程需要一千個人的一生才能完成。
但最近，一個巧妙的想法利用了鐳射技術的最新發展，希望改變這一切：突破性的星光拍攝。
透過將“鐳射帆”加速到光速的幾分之一，該專案希望在幾十年而不是幾千年內將附加的微型航天器傳送到星際目的地。
但是，這些被提議的宇宙飛船能在旅途中倖存下來嗎？
這就是帕特龍的支持者喬治·丘奇想知道的，他問道：
“如果突破恆星以0.2c的速度從地球進入半人馬座阿爾法星系，有多少粒子(質子、塵埃顆粒等)？而且會遇到溫度變化，在薄薄的光帆上每一次都會有什麼後果呢？“
這是一個令人著迷的問題，我們對宇宙的瞭解足以計算出答案。
讓我們一頭扎進去，一探究竟。
2021年12月25日，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡從阿麗亞娜5號火箭成功升空進入軌道。
火箭技術一直是我們成功推動宇宙飛船在太空中飛行的唯一方法。
我們曾冒險走出地球之外的唯一途徑是透過火箭科學：燃料和能量被消耗，產生推力，而推力會加速航天器。
透過與其他大質量物體的引力相遇，比如太陽系內的行星，我們可以給這些航天器額外的“刺激”，使它們加速到更高的速度。
從根本上說，火箭本身的推力是有限的，因為它們使用化學燃料。
當你基於化學反應提取能量時，正是電子和原子結合方式的轉變釋放了能量，而這種能量只佔總質量的極小一部分：大約百萬分之一的質量可以轉化為能量。
如果我們能夠利用一種更有效的燃料-包括核反應，或物質-例如反物質湮滅-就有可能將火箭上更多的質量轉化為能量，從而使我們能夠達到更高的速度，並縮短前往遙遠目的地的旅程。
然而，這項技術還不存在，因此實際的太空旅行受到這些因素的限制。
至少到目前為止是這樣。
使用大量鐳射來加速航天器的想法是新穎的，由於最近鐳射技術的進步和成本的降低，這一想法可能在未來幾十年內實現。
然而，要成功完成星際之旅，需要的不僅僅是快速、持續的加速。
突破性星空計劃背後的革命性想法依賴於鐳射技術的最新進展。
在過去的二十年裡，單個鐳射器能夠輸出的功率以及鐳射器可以實現的準直水平都大幅增加，而高功率鐳射器的成本隨著這些發展而下降。
因此，您可以設想一下理想的情況，如下所示：
在太空中建造了一組高功率鐳射器。
一系列基於奈米技術的航天器被建造起來，並附在一個薄、輕、高反射但堅固的“帆”上。
然後，鐳射陣列一次向一艘奈米飛船發射，將其朝一個方向加速-朝著最終的星際目的地-儘可能長的時間內達到儘可能快的速度。
在穿越星際介質後，它到達目的地，在那裡它收集資訊，獲取資料，並將其傳輸回相同的星際距離，一直到地球。
這是“夢幻場景”，即使是這種場景也太樂觀了，詳細來說，突破星空團隊無法考慮。
透過利用強大的鐳射陣列和高度反射的薄、光、平表面，應該可以將航天器加速到比任何宏觀物體在人類力量下達到的速度都要高得多的速度。
首先，他們設想的不是太空中的鐳射陣列，而是地面上的鐳射陣列，那裡的鐳射本身被大氣分散。
這是一項節約成本的措施，消除了在太空發射和組裝陣列的需要，但正如突破計劃的工程總監皮特·克魯帕(Pete Klupar)所說，它也有自己的障礙：
“主要的努力(和資金)集中在將幾乎無限數量的鐳射連貫地結合在一起的能力上。”
即使採用了我們目前最好的自適應光學和相控陣技術，地面鐳射陣列，即使在高海拔，也需要有10到100倍的改進才能可行。
此外，即使是人類已知的反射率最高的表面--反射了其上入射能量的99.999%--目前也會吸收大約0.001%，而影響它們的總能量。
至少就目前而言，這是雙重災難。
它也會在短時間內燒燬光帆，使其毫無用處。
光帆本身雖然被入射的鐳射加速，但在其表面上會受到差異力的作用，產生扭矩並導致帆旋轉，使得連續的定向加速成為不可能。
更多的障礙構成了遠遠超出當前技術極限的困難，必須克服每一個障礙才能實現突破星空的目標。
突破星空計劃的目標是一個非常雄心勃勃的目標：走出太陽系，穿過將我們的太陽系與最近的恆星系統隔開的星際空間：比鄰星/阿爾法半人馬座系統。
不要被它在這張圖中看起來有多近所欺騙，比例是對數的。
但為了便於討論，讓我們假設所有這些障礙不僅可以克服，而且實際上將被克服。
假設我們可以：
建立一個足夠強大、足夠準直的鐳射器陣列。
在晶片上安裝所有合適的裝置，建立一個亞克奈米飛船。
製作一個反射充足、光線充足、抗旋轉效能穩定的光帆。
加速並將航天器引向最近的恆星系統：比鄰星/半人馬座阿爾法星。
讓我們假設我們可以達到我們想要的速度：20%的光速，或約6萬公里/秒。這大約是一顆典型恆星透過我們銀河系的速度的300倍，或者是恆星透過星際介質的相對速度的幾千倍。
只要我們還在太陽系內，最大的威脅就來自塵埃顆粒，也就是我們在地球附近發射的航天器上通常會穿孔的微流星體。
保持航天器完好無損的最大敵人是動能，即使在光速為20%的情況下，動能仍然可以很好地近似於我們簡單的非相對論公式：Ke=1/2 mv2，其中m是質量，v是粒子與物體碰撞的相對速度。
這張圖片顯示了美國國家航空航天局(NASA)的太陽馬克斯(Solar Max)衛星面板上的一個洞，這個洞是由微流星體撞擊造成的。
雖然這個洞很可能是由比“突破之星”奈米飛船可能遇到的塵埃大得多的塵埃形成的，但撞擊器產生的動能主要是小粒子，而不是大粒子。
然而，一旦我們離開太陽系，飛行中的航天器遇到的粒子密度和大小分佈就會發生變化。
我們擁有的最好的資料來自於尤利西斯任務提供的建模、遠端觀測和直接取樣的組合。
大多數宇宙塵埃粒子都很小，質量很低，但也有一些更大，質量更大。
如果你能夠將整個航天器的橫截面尺寸縮小到1平方釐米，那麼在大約4光年的旅程中，你預計不會遇到直徑在1微米或更大的粒子；你只有大約10%的機會做到這一點。
然而，當你觀察更小的粒子時，你開始預計會有更多的碰撞：
1與直徑約0.5微米的粒子碰撞。
10次與直徑約0.3微米的粒子的碰撞。
100次與直徑約0.18微米的粒子的碰撞。
1000次與直徑約0.1微米的粒子的碰撞。
10000次與直徑約0.05微米的粒子的碰撞。
10萬次與直徑約0.03微米的粒子的碰撞。
100萬次與直徑約0.018微米的粒子的碰撞。
1000萬次與直徑約0.01微米的粒子的碰撞
這張掃描電子顯微鏡影象顯示了一個略大於1微米的行星際塵埃顆粒。
在星際空間中，我們只能根據塵埃的大小和組成來推斷塵埃的分佈，特別是在光譜的低質量和小尺寸端。
你可能會認為這不是什麼大事，遇到這麼多這樣的微小粒子，特別是當你考慮到這些粒子的質量是多麼微小的時候。
例如，你撞擊過的最大粒子，直徑為0.5微米，質量只有4皮克(4×10-12克)。
當你降到直徑約0.1微米的粒子時，它的質量將是微不足道的20毫微克(2×10-14克)。
而在直徑約0.01微米的情況下，一個粒子的質量只有20阿特克(2×10-17g)。
但是，如果你計算一下，就會發現這是災難性的。
給透過星際介質的航天器提供最多能量的不是最大的粒子，而是最小的粒子。
在20%的光速下，直徑約0.5微米的粒子將向這個微小的航天器提供7.2焦耳的能量，大約相當於將約2.3公斤的重量從地面提升到頭頂所需的能量。
現在，直徑約0.01微米的粒子，也以光速約20%的速度移動，只會向同一航天器提供36微焦耳的能量：這似乎是微不足道的量。
雖然使用光帆透過向帆發射一系列強大的鐳射來推動微晶片透過星際空間的想法是令人信服的，但目前實現這一目標還有不可逾越的障礙。
只要知道，這絕對不會被誤認為是像“歐穆阿瓜”這樣的星際闖入者。
但後幾次碰撞的頻率是預計發生的最大碰撞的1000萬倍。
當我們看一看預計從大約0.01微米或更大的塵埃顆粒中預計的總能量損失時，很容易計算出，由於與星際介質中各種大小的塵埃顆粒的碰撞，總共有大約800焦耳的能量沉積到這個航天器的每平方釐米。
它給了我們一些寶貴的教訓：
目前的突破性星空構想，即在奈米飛船上塗上一層像鈹銅這樣的材料的保護層，是遠遠不夠的。
鐳射帆將面臨在短時間內被完全撕碎的危險，如果在最初的鐳射驅動加速發生後不丟棄或(以某種方式)摺疊和堆放，還將對奈米飛船造成巨大的阻力。
來自更小物體的碰撞--比如整個星際介質中存在的分子、原子和離子--也會累積起來，並有可能產生比塵埃粒子更大的累積效應。
圖中是GALEX天文臺在紫外波段拍攝的米拉恆星，它在星際介質中的速度比正常速度快得多：大約130公里/秒，比計劃中的“突破性恆星射擊”任務慢了大約400倍。
尾巴延伸約13光年，被噴出，但也被滲透到星際介質中的物質剝離和減慢。
當然，對於這些問題中的許多都有聰明的解決方案。
例如，如果你確定光帆本身會遭受太大的損壞，或者會使你的旅程減慢太多，你只需在鐳射加速階段完成後將其拆卸即可。
如果你把你的奈米飛船--儀器的“宇宙飛船”部分--設計得非常薄，你就可以引導它旅行，這樣它的橫截面就會最小化。
如果你確定離子造成的損害是巨大的，你可能會透過航天器產生持續的電流，產生自己的磁場來偏轉帶電的宇宙粒子。
然而，這些干預措施中的每一種都有自己的缺點。
記住，這次任務的目標不僅是到達一個遙遠的恆星系統，而且是記錄資料並將其傳回地球。
如果你丟棄了鐳射帆，你就失去了將資料傳回的能力，因為帆本身的設計也是為了參與資料傳輸。
如果你把你的太空船做得很薄，那麼你就得擔心碰撞會給它帶來角動量，最終導致太空船旋轉失控。
航天器產生的任何磁場都有可能戲劇性地改變其軌跡，因為星際介質中也有不可忽略的電場和磁場，它們相互作用。
我們附近的恆星和恆星系統之間的大量空間並不是完全空的，而是充滿了氣體、塵埃、分子、原子、離子、光子和宇宙射線。
我們越快透過它，我們遭受的損害就越大，無論我們的航天器的大小或組成如何。
目前，關於突破性恆星計劃，人們能說的最好的一件事是，任務成功不需要違反已知的物理定律。
我們“僅僅”需要，這是對“僅僅”的一個非常寬鬆的定義，來克服一系列巨大的工程問題，這些問題以前從未以這樣的規模被解決過。
為了讓這艘宇宙飛船在幾十年的時間裡保持運轉，在多光年的星際空間進行超高速旅行，需要的進步遠遠超過今天正在積極研究的東西。
儘管如此，承擔最具挑戰性和雄心勃勃的問題往往是我們推動科學技術實現最大飛躍和突破的方式。
儘管我們很可能不會，就像該倡議背後的科學家經常喜歡宣稱的那樣，在我們現在的有生之年能夠到達另一個恆星系統並與之通訊，但我們完全有理由為實現這一目標做出最誠摯的嘗試。
雖然我們應該完全預料到在旅途中會有幾十種新穎、壯觀的方式失敗，但這些失敗的嘗試恰恰是為最終的成功之路鋪平道路所需要的。
畢竟，當你伸手去摘星星的時候，最愚蠢的事情就是連嘗試都失敗了。
