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目標:追上奧陌陌!科學家啟動天琴座計畫,預計2054年可以追上
2022/02/28
2022/02/28

2017年10月19日,泛星巡天望遠鏡發現了一個暗淡的小天體,其視星等為20等,從運行軌跡和速度可以看出,它很可能不屬于太陽系,科學家最初將其命名為「C/2017 U1」。

在確定了這個天體是一個來自太陽系之外的星際天體之後,它又被命名為「1I/‘Oumuamua」,我們將其稱為「奧陌陌」。

奇怪的奧陌陌

奧陌陌是人類發現的第一個星際訪客,在夏威夷語中,「奧陌陌」的意思可以理解為「首次來訪的遠方信使」。觀測資料表明,奧陌陌的顏色偏紅,擁有較高的密度,不排除它是由金屬構成,在其固態的表面上,還覆蓋著一層富含碳的物質,不排除存在有機物。

(奧陌陌想象圖)

更令人感到奇怪的是,奧陌陌整體上呈現為一種細長的雪茄狀,其長度大約有400米,寬度卻只有40米左右,而在此之前,我們從未發現過長寬比如此奇怪的小天體。

這個奇怪的天體很快就吸引了大量關注,外星人愛好者更是提出猜測,奧陌陌很可能就是一艘外星飛船,而科學家們也沒有排除這種可能性,實際上,他們甚至還在多個波段對奧陌陌進行了長時間的無線電監聽,卻一無所獲。

科學家通過觀測資料分析出,奧陌陌來自天琴座方向,它以一個近乎垂直于黃道面的角度闖入了太陽系,在通過了近日點之後,其運行軌道因為太陽引力而發生了巨大的彎曲,隨後以大約每秒87.7公里的速度直奔飛馬座方向而去。

奧陌陌以這樣的速度飛行,太陽的引力根本留不住它,所以在不久的未來,奧陌陌註定會離開太陽系,但奇怪的是,科學家發現奧陌陌在飛離近日點的過程中,存在著一個明顯異常的加速度。

如上圖所示,奧陌陌的實際運行軌跡(藍色)與科學家的預測(紅色)出現了明顯的偏差,要知道現代科學早就可以精確地計算出天體的運行軌跡(否則我們也不可能提前很久就準確地知道什麼時候會發生日食、月食等等天文現象),所以出現這種情況的原因就只有一個:奧陌陌因為某種未知原因加速了。

本來奧陌陌就已經很奇怪了,如此一來,就讓它顯得更加神秘,儘管科學家對其進行了多種基于自然現象的假設,如「氫冰或氮冰假說」、「彗星假說」、「分形塵埃聚集體假說」等等,但不可否認的是,這也讓奧陌陌是外星飛船的可能性提升了。

(外星人愛好者描繪的奧陌陌想象圖)

很明顯,只有追上奧陌陌對其進行抵達觀察,才可以確認它的真實身份,但問題是,奧陌陌跑得那麼快,以人類目前的科技實力,想要追上它是非常困難的,這樣的情況就好像奧陌陌在對人類說:我來了,我又走了,來追我呀?那人類應該如何應對呢?

科學家:啟動天琴座計畫!

天琴座計畫(Project Lyra)來自一個名為「Initiative for Interstellar Studies」的研究組織,順便提一下,「戴森球」的提出者、著名科學家弗裡曼·戴森(Freeman Dyson)就曾經是該研究組織的成員之一。

早在2017年,這個研究組織就提出了天琴座計畫,並確定了該計畫的目標:追上奧陌陌!那如何實現這一目標呢?

最初的時候,科學家考慮過離子推進器、核動力火箭、太陽帆等等方案,但這些方案都因為技術不夠成熟而被否決了,後來科學家想到了一種辦法,那就是利用行星的「引力彈弓」以及太陽的「奧伯斯效應」(Oberth effect),將探測器加速到足以追上奧陌陌的速度。

「引力彈弓」相信大家都比較熟悉了,這裡就略過不提,只介紹一下什麼是「奧伯斯效應」,簡單來講,「奧伯斯效應」就是指:對于同一個的速度增量而言,物體的初速度越快,速度增量的使用效率就越高。

舉個例子,當探測器以一定的速度飛近一個天體時,天體的引力就會讓探測器不斷加速,在這種情況下,當探測器抵達「近拱點」時,其速度就會達到最大,如果我們在此時點燃火箭進行加速,就可以讓火箭的推進效率達到最大,從而讓探測器獲得更高的加速度。

(注:「近拱點」即探測器圍繞天體運行的橢圓軌道上距離天體最近的點)

需要指出的是,「奧伯斯效應」並沒有違反能量守恆定律,因為火箭噴出的物質其實是火箭初始質量的一部分,從能量的角度來看,探測器增加的動能,其實來自火箭噴出的物質的引力勢能。

在太陽系中,太陽無疑是引力最大的天體,所以太陽理所當然地成為了科學家的首選目標,但科學家很快就遇到一個難題。

分析結果表明,如果想利用太陽的「奧伯斯效應」將探測器加速到足夠高的速度,探測器就必須距離太陽足夠近,而我們都知道,太陽的溫度是非常高的,所以探測器就必須要額外配備隔熱裝置,這就會讓探測器質量增加很多,進而使火箭的推進效率大幅降低。

這就意味著,利用太陽的「奧伯斯效應」是很難實現的,怎麼辦呢?

科學家將目光投向了太陽系中質量第二大的天體——木星,在經過仔細研究之後,科學家驚喜地發現,僅僅是利用木星的「奧伯斯效應」,就可以將探測器加速到足以追上奧陌陌的速度。

于是在2022年1月,天琴座計畫正式啟動,根據計畫的安排,探測器將于2028年發射升空,在此之後,探測器會在任務的前四年分別繞地球兩次、金星一次,木星一次,以獲取最大的速度(如下圖所示)。

根據科學家的計算,當探測器從木星出發時,其速度將遠超奧陌陌在同等距離上的速度(注:在物體飛離太陽系的過程中,太陽引力會讓其不斷地減速),預計2054年可以追上它(這也可以理解,畢竟奧陌陌之前已經飛了很久)。

看到這裡可能有人會說了,如果奧陌陌真的是外星飛船,那天琴座計畫肯定就追不上它了啊,畢竟外星飛船是可以隨時改變速度和方向的。

(奧陌陌光變曲線類比圖)

事實上也確實是這樣,但需要注意的是,觀測資料顯示,奧陌陌一直在「胡亂地翻滾」,這就意味著,就算奧陌陌真的是外星飛船,那它也很可能處于失控的狀態,在這種情況下,探測器依然有可能追上它。

總而言之,儘管需要的時間很長,但這仍然是一件值得期待的事情,希望在不久的將來,科學家真的能夠解開奧陌陌給我們帶來的謎題。

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