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    把太陽建成信號“轉播站”

    原創
    2019-12-01  大科技雜...

    太空通信是個問題

    雖然人類的足跡至今未出太陽系,但俗話說“兵馬未動,糧草先行”,要想飛往更遙遠的空間,一個問題亟需解決,即通信問題。因為雖然電磁波信號在幾乎空無一物的太空能傳播得很遠,但畢竟信號強度以跟距離平方成反比的速度在衰減。比如說,假設我們的航天器從離我們最近的恒星系,即距地球約4.37光年的半人馬座α星上,以幾瓦的功率(這是目前航天器發射信號的平均功率)發射信號,那么這個信號到達地球早已“奄奄一息”了。我們需要建造直徑大約53千米的射電望遠鏡才能勉強接收到,而這個望遠鏡所占面積比整個紐約還大,已非人力所及。

    或許有人會說,何不提高信號的發射功率?要是發射功率提高10倍,望遠鏡的接收面積就可以縮小到1/10;提高100倍,就縮小到1/100……這當然在技術上不成問題。但提高發射功率,意味著要消耗更多的能量,而讓飛行器攜帶更多能源上天,不僅極大地增加了發射成本,也影響了它的飛行速度。

    在地球上,長距離無線通信也會遇到信號衰減問題。在這種情況下,我們通常會采用轉播來解決,即初級信號被轉播站接收后,經過放大,重新發射,再繼續傳播。

    可是在茫茫太空中,誰來給我們轉播呀?出乎你的意料,還真的存在一個天然“轉播站”,那就是太陽!

    太陽當透鏡使

    與人工轉播不同,太陽能起轉播作用,依據的是引力透鏡效應。愛因斯坦的廣義相對論預言,當來自遙遠恒星的一束光,通過像太陽那樣一個大質量天體附近時,由于周圍的時空彎曲,會致使光束經過后匯聚于一點。由于這一現象跟凸透鏡成像極為相似,所以叫引力透鏡效應。天文學家已經在宇宙中多次觀察到該現象。

    引力透鏡實質上起到了信號放大的作用。據計算,遙遠恒星的光(可以當作平行光來處理)經太陽的引力透鏡效應后,在“透鏡”的焦點處,亮度會增大10億倍。

    你也許會說,你在談引力透鏡時,談的都是光,可是我們在太空中用的信號是無線電波呀。這倒沒問題。光和無線電波都屬于電磁波。對光起作用的引力透鏡,對無線電波也一樣起作用。

    如果能充分利用太陽這個天然的信號“轉播站”,那么僅需一點點功率就能把遙遠地方的數據傳回我們太陽系。比如你要是從半人馬座α星上給家人傳自拍視頻,只需要毫瓦級的發射功率(相當于一支普通激光筆的功率)即可。當然了,由于電磁波的傳播速度沒法超過光速,這個視頻要在4年以后才能到達地球。

    現實中的難題

    那么,怎樣才能充分利用太陽的引力透鏡效應呢?

    首先,我們得在太陽這個“透鏡”系統的焦點位置接收被放大后的信號,然后再轉播到地球。換句話說,需要在焦點處安置一架用于信號接收的太空望遠鏡(哪怕直徑小到1米都行)。

    可是那個焦點位置在距太陽900億千米處,差不多是日地距離的600倍,離地球實在太遙遠了!我們40年前發射的“旅行者1號”至今才飛到距太陽208億千米的位置呢。但這件事又容不得我們偷懶,要是把太空望遠鏡安置在距太陽900億千米以內,太陽非但不能把信號放大,還會起阻擋作用。

    看來好事多磨,好在并非全無希望。新一代等離子推進器正在研制之中。這種新型推進器能以更少的能量,把太空飛行器更快地帶到更遠的地方。建成了太陽這個信號“轉播站”,說不定以后我們還能跟外星人互發自拍視頻呢。

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