超新星爆發藝術圖（圖片來源：NASA）
在宇宙深處，一顆垂暮之年的大質量恆星隨時將以劇烈的爆炸結束一生。但在距離這顆恆星數百萬千米的地方，卻停泊了無數由光帆或電帆驅動的航天器。它們將帆收緊，調整好方向，等待著超新星爆發的那一刻——與其說是參加恆星的葬禮，不如說在期待利用爆發產生的動力，讓自己遨遊星際。
隨著一束亮度相當於太陽數十億倍的光芒，超新星爆發。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，也可以是物理學家經過理論計算的科學結果。這不，哈佛大學的兩位物理學家就通過計算證實了將超新星爆發用作動力、實現星際旅行的可能性，並且將論文發佈至預印本網站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是哈佛大學天文學系主任，而他的另一個身份，是“突破攝星”計劃諮詢委員會的一員。
“突破攝星”計劃於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”計劃仍停留在設想階段，而且Loeb也認為，這個計劃耗資巨大，地面激光陣列的功率需要達到驚人的每平方米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，他去年年底在家裡洗澡時（是的，又是洗澡），突然迸發了靈感。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的推動力。但如果是質量更大、更明亮的星體，尤其是超新星爆發時釋放的巨大能量，是否足夠呢？
於是，Loeb與另一位哈佛大學物理學家Manasvi Lingam合作，計算利用超新星爆發等天文事件，能否實現星際旅行。
接近光速
他們的目標，是將航天器加速至相對論性速度（relativistic speeds）。這裡需要簡單介紹，什麼是相對論性速度。我們知道，一個物體的能量包含靜止質量的能量（也就是熟悉的E=mc2）和動能。一般情況下，靜止能量遠遠大於動能，所以後者幾乎可以忽略。而達到相對論性，就是動能足夠大——不僅無法忽視，還超過了靜止能量。
在此基礎上，更進一步的是極端相對論性速度（ultrarelativistic speeds）。這時物體的動能已經遠遠大於靜止能量了，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。
兩種驅動方式
在他們的數學模型中，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，產生前進的推力；另一種則是電帆，通過接收靜電力前進。航天器每平方米帆的質量不到0.5克，最初通過化學燃料送至距離天體數百萬千米的地方準備就緒。
而對於能量來源，研究者在關注超新星爆發的同時，還考慮了大質量恆星、微類星體、脈衝風星雲、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麼程度。以光帆為例，主要影響因素是天體的亮度。（對於不同類型的事件，還有一些其他影響因素，作者做了相應的校對）常見的超新星爆發亮度相當於太陽的109倍，此時，航天器可以加速到0.15倍光速，已經足夠達到相對論性速度了。而最明亮的“極亮型”超新星爆發，亮度可以達到太陽的5×1012倍。如果被航天器盯上，這次爆發可以將它加速至超過0.6倍光速——快了很多，不過還是無法達到極端相對論性速度。
還可以更快嗎？研究人員發現，對於活躍星系核（即星系中心質量密集且活躍的區域，通常是大型黑洞所在的位置），其經過校正的亮度超過太陽的1015倍，這時航天器速度達到了0.938倍光速，不過呢，還沒有達到可以無視靜止能量的程度。
對於光帆，不同天體活動能驅動產生的動量，其中γβ=v/（c2-v2）0.5
此外，作者還計算了使用電帆時的結果。航天器的速度量級總體與光帆驅動的相近，不過需要注意的是脈衝風星雲——這種星雲可以驅使電帆的相對論因子（γ）達到104~105。γ相當於c/（c2-v2）0.5。（其中c為光速）讀者稍作計算，便可驚訝地發現，此時航天器的速度已經相當接近光速。
對於電帆，不同天體活動產生的動量
計算結果顯示，一次普通的超新星爆發，就足以驅動航天器達到相對論性速度。而對於這兩種驅動方式的對比，作者表示，他們更傾向於電帆。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方向，保證了航天器的安全。此外，經過漫長的星際旅行，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於光帆。
不過，作者也承認，這個想法足夠大膽，但還不夠完美。要實現超新星爆發推動的星際旅行，有幾個問題需要注意解決。
首先，就是如何準確地預測超新星何時爆發。正如地震學家可以預知某個地區發生地震的風險，但卻無法將預測地震的時間精確到天；天文學家也可以看出哪些大質量恆星已經不穩定、處於爆發邊緣，但要預測超新星將在哪個世紀爆發，也是不切實際，更不用說精確到年了。當然，如果一些高級外星文明可以做到這一點，倒也不算奇怪。
如果選定了目標恆星，計劃將航天器送往恆星周圍，這時需要注意：在等待爆發的時間內，航天器需要將帆摺疊，否則可能還沒有等到爆發，就被輻射推遠了。同樣，在完成加速後，帆也需要再次摺疊，一方面減少與周圍氣體的阻力，另外也儘可能避免被星際塵埃擊中。也就是說，除了超新星爆發、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？
當然，即使是再瘋狂的科學家，也不會認為我們人類可以在有生之年掌握這項技術。既然做不出來，這項研究就沒有任何實際意義了？
一些科學家並不這樣認為。搜尋地外文明計劃（SETI）的科學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，近期我們發佈的兩篇文章，都講述瞭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家弗里曼·戴森提出的
“戴森球”設想：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的天文現象，例如系外行星無法用其他原因解釋的相似大氣特徵、異常的高溫。從某種意義上說，超新星推進器可以說是反向戴森球：戴森球是“向內收縮”，將主星封閉起來，儘可能多地收集恆星穩定釋放的能量；而超新星推進器則是向外延伸，利用星體爆發時劇烈釋放的能量，實現星際旅行。
儘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鏡中發現飛行器接近光速行進的現象，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，畢竟在超新星爆發時，噴射物的速度本身就能達到0.1倍光速甚至更快。如何區分自然與人造物體？如果真的以此為目的開展觀測，相信天文學家能找到合適的分辨方式。
做完理論計算後，本文作者Lingam還設想了一個詼諧卻又驚悚的場景：正如本文導語展示的，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，那麼可以預見的是，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射場：一旦爆發，眾多航天器將朝著各個方向發射出去。想想如此壯觀的景象，真是害怕卻又莫名地期待呢！
閱讀更多 清風史話 的文章
