[论文解读] Interstellar Probes: The Benefits to Astronomy & Astrophysics

K. F. Long|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2019

Astro and Planetary Science参考文献 10被引用 2

一句话总结

本文提出，诸如突破摄星计划所设想的机器人星际探测器，可通过实现仅靠远程探测无法达成的原位测量，为天文学和天体物理学带来独特的科学益处。通过使用激光推进技术，将克级探测器以0.2c的速度送往邻近恒星，任务将获得系外行星、恒星系统以及基础物理的高分辨率数据——在部署多个探测器后，其科学价值将超越并补充空间望远镜。

ABSTRACT

Long range observations in the field of astronomy have opened up our understanding of the Solar System, the Galaxy and the wider Universe. In this paper we discuss the idea of direct in-situ reconnaissance of nearby stellar systems, using robotic probes. In particular, we consider what additional knowledge can be learned that can only be obtained by such close encounters. This may include calibration of existing measurements, detailed observations of stellar winds, astrometry measurements of stellar parallax, refinement of our understanding of physics through the use of long baseline interferometers. In addition, getting close to an exoplanet will enable detailed knowledge of planetary interiors, surface processes, geological evolution, atmospheric composition and climate, internal seismology, detailed surface morphology and even the speculative possibility of detecting the presence of microbial life, detailed palaeontology or even indigenous life-forms. We argue that astronomical remote sensing should be pursued in parallel with in-situ reconnaissance missions by robotic probes, so that both can enhance the discoveries and performance of the other. This work is in support of Project Starshot; an effort to send a Gram-scale probe towards another star at 0.2c within the next two decades, and return images and other data to the Earth. Presented at the 47th IAA Symposium on Future Space Astronomy and Solar System Science Missions. Session on Space Agency Strategies and Plans.

研究动机与目标

• 评估原位星际探测器相较于远程天文观测的科学优势。
• 识别仅通过近距离探测系外行星和邻近恒星才能实现的具体天体物理测量。
• 主张长期望远镜与机器人星际探测器并行发展，作为互补的科学工具。
• 评估使用激光帆推进技术向半人马座α星系统发射多个克级探测器的可行性与科学回报。
• 探讨激光束传输技术在深空探测与能量传输方面的长期可扩展性。

提出的方法

• 提出利用地基定向能阵列推动克级探测器，通过光帆推进技术以0.2c的速度飞向包括半人马座α星在内的邻近恒星。
• 概述在探测器上搭载微型科学仪器，用于对行星内部、大气层和表面形态进行原位测量。
• 建立长基线光学干涉仪的性能模型，利用星际探测器作为稳定平台，实现天体测量与测光测量。
• 考虑利用星际探测器作为平台，通过长基线干涉测量技术，测试广义相对论和量子效应等基础物理。
• 分析数据返回挑战，包括探测器低功耗信号传输，以及需要大型地球接收阵列来探测微弱信号。
• 评估可扩展的束流推进技术在实现未来载人星际任务及向地球或卫星传输能量方面的潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些独特的天体物理测量只能通过近距离探测系外行星和邻近恒星系统才能实现？
• RQ2 随着时间推移，星际探测器的科学价值与先进地球轨道空间望远镜相比如何？
• RQ3 实现以0.2c速度飞行的克级探测器进行星际飞行的关键技术与工程挑战是什么？
• RQ4 星际探测器如何通过互补数据提升远程探测平台的科学产出？
• RQ5 束流推进技术在星际探测与能量传输方面的长期潜力是什么？

主要发现

• 星际探测器可提供仅靠远程探测无法获取的系外行星内部结构、大气成分、地质演化历史及潜在生物特征的直接测量数据。
• 对系外行星的近距离飞越可实现高精度天体测量与恒星视差测量，从而更精确地理解恒星运动与距离。
• 利用探测器稳定平台进行长基线干涉测量，可实现比地球或空间望远镜更高的分辨率与稳定性，从而更精确地检验广义相对论与基础物理理论。
• 突破摄星计划概念中，采用激光帆推进技术，可实现40年飞往半人马座α星的探测任务，但数据返回需依赖大型高灵敏度地球接收阵列。
• 多个探测器组成的探测群可集体提供相当于单个大型探测器的信息量，显著提升单位任务成本的科学回报。
• 可扩展的束流推进系统最终可实现载人星际飞行，并实现向地球或卫星的能源传输，为深空探索与能源分发开辟全新领域。