星際旅行的可能性已經(jīng)不再僅僅出現(xiàn)在科幻小說的領(lǐng)域，它已經(jīng)出現(xiàn)在地平線上，令人垂涎。雖然我們可能不會在有生之年看到它——至少不會看到小說中超速、超光速、空間折疊之類的真實版本——但我們正在利用觸手可及的技術(shù)，初步探討生命如何逃離太陽系的束縛。

來源: University of California - Santa Barbara

對于UC Santa Barbara 的Philip Lubin和Joel Rothman教授來說，這是一個偉大的時代。他們是見證了太空探索驚人進步的一代，當時人類第一次發(fā)現(xiàn)自己可以離開地球。

“阿波羅登月之旅是我一生中最重大的事件之一，我至今仍無法忘懷，”Rothman說，他是分子、細胞和發(fā)育生物學系的杰出教授，也是一位自我承認的“太空極客”。

這個關(guān)鍵的時代僅僅過去了50年，人類對太空的知識和探索太空的技術(shù)已經(jīng)大大提高，足以讓教授們考慮如何才能讓生物踏上穿越銀河系中距離我們最近的鄰居的漫長旅程。他們合作的結(jié)果發(fā)表在《Acta Astronautica》雜志上。

光帆的定向能推進。(a)定向能量激光推進的光帆和有效載荷進入星際空間。地球表面的激光陣列(天基激光陣列也有可能)發(fā)射的光子通過反射將動量傳遞到帆上，從而使航天器加速到相對論速度。藝術(shù)家的表演。(b)激光陣列由許多小的、模塊化的子單元組成，可鉸接、關(guān)閉和增加這些子單元，以實現(xiàn)大的任務(wù)空間。隨著定向能推進能力的增強，相對論飛行將成為可能。

Rothman說:“我認為繼續(xù)探索是我們的命運。看看人類的歷史。我們在越來越小的層次上探索直到亞原子的層次，我們也在越來越大的層次上探索。這種不斷探索的動力是我們作為一個物種的核心。”

大處著眼，從小處做起

人類星際旅行面臨的最大挑戰(zhàn)是地球與最近恒星之間的巨大距離。旅行者號的任務(wù)已經(jīng)證明，我們可以將物體發(fā)送到120億英里以外的地方，使其脫離太陽系太陽層周圍的氣泡。但是這種汽車大小的探測器以每小時35000英里的速度飛行，花了40年才到達那里，它們與地球的距離只是到下一顆恒星距離的一小部分。如果他們前往最近的恒星，他們將需要80000多年才能到達。

這一挑戰(zhàn)是Lubin工作的一個主要重點，他在工作中重新構(gòu)想了人類進入下一個太陽系所需的技術(shù)。傳統(tǒng)的船載化學推進（又稱火箭燃料）已經(jīng)過時；它不能提供足夠的能量來足夠快地移動飛船，而且它的重量和推進飛船所需的現(xiàn)有系統(tǒng)對于飛船需要達到的相對論速度來說是不可行的。需要新的推進技術(shù)，而這正是UCSB定向能研究項目將光用作“推進劑”的用武之地。

物理系教授Lubin說：“這是以前從未做過的，以接近光速的速度推動宏觀物體。”

代謝率(MR)和質(zhì)量的不同群體的生物。盡管物種的多樣性很大，但觀察到每單位組織質(zhì)量的能量需求幾乎是普遍的。這種概括排除了能夠隱生的物種(如緩步動物、鹽水蝦和搖蚊科)，它們在假死狀態(tài)下幾乎沒有代謝活動，這使它們更適合星際飛行。

結(jié)果，他的團隊轉(zhuǎn)向了機器人和光子學。帶有機載儀器的小型探測器，能夠感知、收集并將數(shù)據(jù)傳輸回地球，將使用安裝在地球或月球上的激光陣列，由光速自身推動，達到光速的20-30%。“我們不會帶著它離開家。”Lubin解釋說，這意味著當航天器以相對論速度“發(fā)射出去”時，主推進系統(tǒng)保持在“家里”。主推進激光器開啟一小段時間，然后準備發(fā)射下一個探測器。

“當它穿過星際介質(zhì)時，它可能看起來像一個帶邊緣的半導體晶片，以保護它免受輻射和塵埃的轟擊。”Lubin說，“一開始可能就是你手的大小。隨著計劃的發(fā)展，航天器變得更大，性能也得到增強。這項核心技術(shù)還可以在一種改進的模式下使用，以更慢的速度推進太陽系中更大的航天器，有可能使人類在一個月內(nèi)完成火星任務(wù)。這是另一種傳播生命的方式，但在我們的太陽系中。”

在這種相對論速度下，大約每小時1億英里，在大約20年內(nèi)，該飛行器將到達下一個太陽系——半人馬座近鄰。要達到這一技術(shù)水平，就需要不斷創(chuàng)新和改進太空晶圓以及光電子技術(shù)，Lubin在這一領(lǐng)域看到了“指數(shù)增長”。美國宇航局和私人基金會（如星光計劃）以及突破性計劃（如Starshot計劃）支持通過定向能推進實現(xiàn)相對論飛行路線圖的基本項目。

Rothman指出，迄今為止，研究帶小動物上星空的研究已使六名研究人員獲得諾貝爾獎。

作為在國際空間站和航天飛機上進行的實驗的對象，C.elegans已經(jīng)是太空旅行的老手，甚至在哥倫比亞號航天飛機的悲慘解體中幸存下來。在他們與羅斯曼研究的其他潛在星際旅行者分享的特殊能力中，緩步動物（或者更親切地說，水熊）可以處于暫停狀態(tài)，幾乎所有的代謝功能都被抑制。成千上萬的這種小生物可以被放置在一個晶圓上，以懸浮狀態(tài)飛行，直到到達目的地。然后，他們可以在微小的星芯片中被喚醒，并通過光子通信將觀測結(jié)果傳送到地球，精確監(jiān)測星際旅行對他們生物學的任何可檢測影響。

Rothman補充道：“我們可以詢問他們在以接近光速飛走時對經(jīng)過訓練的行為的記憶程度，并檢查他們的新陳代謝、生理學、神經(jīng)功能、生殖和衰老。在實驗室中可以對這些動物進行的大多數(shù)實驗都可以在星際芯片上進行，因為它們在宇宙中疾馳。”如此漫長的探險對動物生物學的影響，可以讓科學家推斷出對人類的潛在影響。

“我們可以開始考慮星際運輸機的設(shè)計，不管它們是什么，以一種可以改善在這些小型動物身上發(fā)現(xiàn)的問題的方式，”Rothman說。

當然，能夠把人類送到星際空間對于電影來說是偉大的，但在現(xiàn)實中仍然是一個遙遠的夢想。當我們達到這一點時，我們可能已經(jīng)創(chuàng)造了更合適的生命形式或更具彈性的混合人類機器。

“這是一個世代相傳的計劃，”Lubin說。理想情況下，下一代科學家將為我們了解星際空間及其挑戰(zhàn)做出貢獻，并隨著技術(shù)的進步，加強飛船的設(shè)計。由于主推進系統(tǒng)重量輕，基礎(chǔ)技術(shù)呈指數(shù)增長曲線，很像具有“摩爾定律”式擴展能力的電子產(chǎn)品。

在gamma輻射的情況下，大多數(shù)生物體的LD50(中位致死劑量)值在101-102 Gy左右;然而，某些線蟲、真菌、輪蟲、緩步動物、細菌和古細菌物種表現(xiàn)出更高的耐受性(~ 103-104 Gy)。即使在不同的物種間，LD50值也存在很大的差異，3種緩步動物分別為M. tardigradum、R. coronifer和H. dujardini。

行星保護和外星傳播

為了可預(yù)見的未來，我們與太陽系息息相關(guān)；離開我們的地球，人類是脆弱的。但這并沒有阻止Lubin、Rothman、他們的研究團隊和各種各樣的合作者，其中包括一位輻射專家和一位受過科學訓練的神學家，思考將生命送上太空甚至在太空傳播生命的生理和倫理方面。

Lubin解釋說：“這是行星保護的倫理。我認為，如果你開始談?wù)撋�命的定向繁殖，這有時被稱為泛胚種，這一觀點認為生命來自其他地方，最終由彗星和其他碎片到達地球，甚至是有意地來自另一個文明，那么我們有意地發(fā)出生命的觀點確實提出了很大的問題。”

作者認為，到目前為止，沒有向前污染的風險，因為靠近任何其他行星的探測器都會在大氣層中燃燒，或者在與表面的碰撞中被抹去。因為這艘宇宙飛船是單程飛行，所以沒有任何外星微生物返回地球的風險。

盡管仍處于邊緣，但鑒于在條件合適的情況下傳播生命是多么容易，以及發(fā)現(xiàn)了幾個可能支持或可能支持我們所知生命的系外行星和其他天體，泛胚種理論似乎受到了一些嚴肅的（即使是有限的）關(guān)注。

Lubin說：“一些人思考并發(fā)表了諸如‘宇宙是來自先進文明的實驗室實驗’之類的觀點。因此，人們當然愿意思考先進文明。問題是好的，但答案更好�，F(xiàn)在我們只是思考這些問題而沒有答案。”

目前在更廣泛的空間探索界正在考慮的另一個問題是：把人類送到火星和其他遙遠的地方，卻知道他們可能永遠不會回家，怎么辦？發(fā)送小微生物或人類DNA怎么樣？這些存在主義的探索與人類的第一次遷徙和航海一樣古老，答案很可能在我們準備開始這些旅程的那一刻出現(xiàn)。

Rothman說：“我認為我們不應(yīng)該也不會抑制天性中固有的探索欲望。”

激光推進星際任務(wù)的藝術(shù)家表演。來源：Adrian Mann

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