星际探测的好处是什么？

　　2015年7月14日，＂新视野号＂的飞行任务创造了历史，它成为了第一个飞越冥王星的航天器。2018年12月31日，它再次创造了历史，成为第一个与柯伊伯带物体(KBO)会合的航天器。此外，旅行者2号探测器最近在星际空间加入了其的兄弟探测器(旅行者1号)。
　　鉴于这些成就，关于星际飞行任务的建议再次得到审议是可以理解的。但是这样的任务需要什么呢？它是否值得呢？凯尔文·F·朗(Kelvin F.Long)是星际研究计划(i4iS)的共同创始人，也是星际飞行的主要支持者之一。他最近发表了一篇论文，支持派遣机器人任务到附近的恒星系统进行现场勘查的想法。
　　这篇题为＂星际探测器：对天文学和天体物理学的益处＂的论文最近在网上发表。本文件概述了将在2019年10月10日举行的宇航科学院第47届未来空间天文学和太阳系科学飞行任务专题讨论会上提交的材料。具体地说，是关于空间机构战略和计划的会议。
　　首先，朗概述了天文学/天体物理学(特别是涉及到空间望远镜的情况)和使用机器人探测器进行的空间探索如何对我们的物种产生了深远的影响。
　　天文学的努力打开了我们关于太阳系、星系和更广阔宇宙起源和演化的知识视野。这是一项人类可以说已经进行了数万年的活动，当我们注视着星星的时候，它们激发了我们的好奇心。我们可能永远都无法触摸到星星，但我们可以观察它们，而仪器设备使我们有可能更近地观察它们。然后，电磁频谱的发现帮助我们以一种我们以前从未用过的方式来理解宇宙。
　　目前，人类直接研究行星和天体的努力完全局限于太阳系。机器人飞行过的最远的任务(旅行者1号和2号太空探测器)已经到了太阳系和星际介质之间的边界，即日光层。
　　所有这些任务都教会了我们很多关于行星形成、太阳系的历史和演化以及地球本身的知识。近几十年来，哈勃、斯皮策、钱德拉、开普勒和凌日外行星调查卫星(TESS)等任务的部署，已经揭示了太阳系以外的数千颗行星。
　　图中显示了NASA旅行者1号和旅行者2号探测器在日光层外的位置，日光层是太阳制造的一个保护气泡，延伸到冥王星轨道之外。
　　当然，这也引起了人们对建立能够直接探索太阳系外行星的任务的新兴趣。就像＂信使＂、＂朱诺＂、＂黎明＂和＂新视野＂等任务分别探索了水星、木星、谷神星、灶神星和冥王星一样，这些任务将负责弥合星际鸿沟，并发回遥远行星的图像和数据。
　　朗说：＂问题是，我们是满足于从远处看着他们呢，还是我们想去那里？远距离遥感相比，空间探测器具有明显的优势，远距离遥感具有直接从轨道甚至在地面进行现场科学调查的潜力。在这个宇宙中，地球，甚至我们的太阳系，只会在虚空中变成一个淡蓝色的点，如果有一天我们不去尝试，那将是疯狂的。＂
　　但当然，探索其他恒星系的前景出现了一些重大困难，其中最重要的是成本问题。从长远来看，阿波罗计划的成本估计为254亿美元，经通货膨胀调整后为1437亿美元。因此，将一艘船送往另一颗恒星，需要数万亿。
　　所有这些挑战可以归纳为两类。第一个问题是，我们缺乏必要的技术成熟度：
　　＂与所有航天器一样，星际空间探测器需要动力、推进和其他系统才能完成任务，并成功到达目标并获取数据。建造能够在合理的人类寿命内以足够快的速度到达最近的恒星并为这些推进系统提供动力的航天器并不容易，它的性能比我们迄今发射到太空的任何技术都高出几个数量级。然而，从物理学和工程学的角度来看，这些机器将如何运作的基本原理已经被很好地理解了。要做到这一点，只需要有一个有针对性的努力项目就可以了。＂
　　人类要想在自己的有生之年旅行到最近的恒星系统，需要做些什么呢？
　　正如我们所知道的，即使是最近的恒星，也要花费相当长的时间才能到达。利用现有的技术，宇宙飞船需要19，000到81，000年的时间才能到达半人马座阿尔法星(Alpha Centauri)。即使使用核推进技术(一种可行但尚未经过测试的技术)，仍需要1000年的时间才能实现这一目标。
　　第二个主要问题是缺乏政治意愿。目前，地球正面临着多方面的问题，其中最大的问题是人口过剩、贫困和气候变化。这些问题合在一起，实质上意味着，人类将不得不在处理日益减少的资源的同时，满足数十亿人的需求。
　　朗说：＂考虑到地球上相互竞争的问题，人们认为今天没有理由批准这些飞行任务的开支。显然，一颗具有潜在有趣生物学特性的系外行星的发现可能会改变这一状况。私营部门有可能尝试这类任务，但这些任务很可能在未来完成，因为大多数私营部门的工作都集中在月球和火星上。＂
　　朗解释说，唯一的例外是＂突破摄星计划＂，该计划的目标是在20年内向半人马座近距离发射一个克级别的探测器。这将有可能通过使用光帆，它将被激光加速到60000公里/秒的相对论速度，或20%的光速。
　　一个类似的任务概念被称为＂蜻蜓计划＂，这是一个国际科学家小组正在开发的概念。有趣的是，这个提议诞生于同一个概念设计研究，该研究启发了＂突破摄星＂。
　　蜻蜓计划的概念也需要一种激光驱动的光帆，这种光帆可以将航天器拖曳到相对论的速度。然而，蜻蜓计划的飞船将比克级别的探测器重得多，但这也将允许装备更多的科学仪器。到达时，磁帆也会使航天器减速。
　　虽然这样的任务开发成本可能在1000亿美元左右，但朗认为，考虑到潜在的回报，这在支付能力方面是可行的。说到回报，星际任务将会有很多东西，所有这些都是有启发性和令人兴奋的。
　　我们有机会对其他恒星系统进行近距离观测，将使我们更好地了解我们自己的太阳系是如何形成的，以及恒星、星系和黑洞、暗物质和暗能量等奇异现象的性质。它还可以让我们更好地预测生命进化系统的潜力。
　　以相对论速度进行星际航行的空间探测器也有可能发现新的物理现象。目前，科学家从量子力学(亚原子水平的物质行为)和广义相对论(恒星系统、星系、超星系团等最大尺度的物质)两个方面来理解宇宙。
　　到目前为止，所有试图找到一个大统一理论(GUT)-又名＂万物理论＂(TOE)，将这两种思想融合在一起的理论已经失败了。朗断言，前往其他恒星系统的科学飞行任务很可能提供一种新的综合，这将帮助我们更多地了解宇宙作为一个整体是如何运作的。
　　但当然，如果不提及最重要的一点：寻找生命，任何关于回报的讨论都是不完整的！即使它只是一群微生物，其科学意义也是巨大的。至于发现一种智能物种的影响，其影响将是无法估量的。它还将解决人类是否是宇宙中唯一的这一永恒问题。
　　朗说：＂寻找智能生命将改变游戏规则，因为如果我们与这样的物种接触并分享我们的知识，这将对我们的科学和我们的个人哲学产生深远的影响。在考虑古老的人类起源问题时，这一点很重要。＂
　　但当然，在考虑任何此类任务之前，还需要做很多事情。首先，技术要求，即使是像突破摄星这样技术上可行的概念，也需要提前很好地解决。所有与相对论速度的星际飞行相关的潜在风险也是如此。
　　但最重要的是，我们需要提前知道将这些任务派往何处，以便使我们的投资获得最大的科学回报。这就是传统天文学和天体物理学将发挥重要作用的地方。
　　在其他恒星系统发射任何飞行任务之前，首先必须确定事先访问这些系统的科学价值，这就需要有远程天文观测平台。然后，一旦探测器被发射，它们也将帮助校准我们对宇宙距离尺度的测量，这也将有助于改进我们的天文仪器。因此，很明显，任何一个渴望对宇宙及其所在之处有所启迪的物种，都应该接受这两种形式的探询，因为它们相互促进。
　　也许还需要几十年的时间，人类才准备把时间、精力和资源用于星际任务。或者，现有的提案要解决所有的技术和后勤问题可能只需要几年的时间。无论如何，当星际任务升空时，这将是一个重大的、极具历史意义的事件。
　　当它开始从最近的恒星系统发回数据时，这将是史无前例的事件。