大胆探索：利用磁白矮星作为宇宙航行的中转站

□ 韩厚康 韩厚健

太阳系以外的“恒星－行星”系统（艺术想像图。恒星为红矮星）

1995年10月6日，瑞士天文学家首次确认太阳系外有颗行星（其主星“飞马座51”离地球51光年）。以后随着高解像度光谱学技术的进步，到2009年被发现的系外行星已超过400颗。2011年2月20日，美国航宇局项目主管威廉·波鲁克奇宣布：上天不到两年的开普勒空间望远镜，在普查银河系局部区域时，新发现了1235颗潜在的行星，其中54颗位于既不冷又不热的“可居带”里（专家们由此推测，银河系“可居带”中的行星可能有5亿多颗）。此消息使“宇宙航行”、“寻找地外生命，接触地外文明”再度成为科技界和媒体大众的热门话题。尽管笔者深知飞往“系外行星”困难重重，但受此消息的鼓舞，决定把思考了几年的“利用磁白矮星作为宇宙航行的中转站”写出来，与有兴趣的朋友们讨论交流。

从钱学森“设想”说起

1963年2月，中国航天事业奠基人钱学森的专著《星际航行概论》出版。在书中，钱老精辟地分析了“恒星世界的宇宙航行”，并提出了重要的“设想”，其三个要点如下：

1.不能靠化学燃料动力实现宇宙航行。从太阳系飞到其它恒星，路途极其遥远。钱老认为：“如果用现在我们能达到的每秒几十千米的速度，就是到最近的几颗恒星附近去也要几万年，这种旅行是不可设想的”。

2. 实现宇宙航行必须大大地增加航行速度，而且必需付出相当大的能量减速。钱老认为：“要突破太阳系的范围，进入大宇宙，必须大大地增加航行速度，直到接近光的速度”。为此钱老设想了一个飞向半人马座α星的技术方案：“设想宇宙飞船最高速度为0.80倍光速，而喷气速度为光速的0.60倍。用二级火箭（每一级的质量比6.24）,一级用来加速火箭到0.80倍光速，一级作刹车之用。最大加速度约2g，那么加速和减速对飞船中的人来讲各为1年,等速飞行一段时间对飞船中的人来讲是2.5年，共需4.5年……”。

3.“能源”是实现宇宙航行的关键。钱老认为：“就是用今天看来是最强的能源，也解决不了宇宙航行的问题”。

钱老48年前对“设想”的评价是：“这是不可设想的质量比。所以就是用今天看来最强的能源，也解决不了宇宙航行的问题。因此，宇宙航行不同于星际航行，星际航行是现实的，而宇宙航行还只不过是一个伟大的理想”。

人类进入太空已半个多世纪，实践证明48年前钱老的判断和担心都是正确的：

1. 已飞出太阳系的“旅行者”1号探测器的速度约5亿千米/年，而到半人马座α星的距离是4.38光年（合41.4万亿千米），要飞8.3万年才能到达，这种旅行的确“不可设想”！

2.为“大大地增加航行速度”，科学家们设想了诸如核聚变动力火箭（包括一般受控核聚变和核聚变脉冲推进）、激光动力推进、光子火箭推进（正反物质的湮灭反应）等方案，但都局限于“纸上谈兵”，工程上都遭遇难以逾越的障碍（按美国人布里斯.卡塞蒂的分析，利用火箭向半人马座α星发送一艘飞船，至少要耗费地球上已产出的全部能量。有人甚至认为要比此估计值还要高出百倍）。

白矮星（a．中亮星为主星天狼星A）

激光动力推进器

但“宇宙航行”是不是就绝对无解呢？

天无绝人之路。近几年来，笔者的目光盯住了钱老设想中的“一级作刹车之用”。诚然，不刹车不行（否则飞船只能在目标区“一闪而过”），刹车又消耗巨大的能量（若能找出其它方法刹车省掉一级火箭，按“每一级的质量比6.24”计算，火箭的起飞质量将减少90%）。经反复分析发现，除人为的喷气动力以外，在宇宙航行中，还真的有个“天然减速器”——具有极强磁场的“磁白矮星”，它也能给力使飞船刹车。

关于“磁白矮星”

白矮星是低质量恒星演化末期产生的天体，因其色白、体积小、密度高而得名，数量约占全部恒星的10%。最早被发现的白矮星是天狼星伴星，其体积接近地球，质量却和太阳相当（0.96M⊙～1.05M⊙），密度高达1000万吨/立方米。白矮星的磁场强度较高，理论量级为105~108高斯（太阳极区的磁场强度仅1～2高斯。“高斯”可换算为另一种单位“特斯拉”（T），1T＝104高斯）。若磁场强度超过100 T，则称其为“磁白矮星”。 1985年天文学家确定天龙座一颗白矮星场强达1.65×104～3.5×104T，它是较早被认证的磁白矮星之一，距离我们约42光年；目前已被认证的磁白矮星中有个别场强高达8×104T。

磁白矮星可用来“刹车”

众所周知，在磁场中运动的超导体会因磁力的作用改变其运动状态。做过“超导体悬浮实验”的人都有体会，当超导体试样悬浮起来以后，如果拿个小胶木棍去推它，就会感到有一股阻力在抵抗你的推动。自然，这个阻力是超导体表面薄层内被激起的电流与下面永磁铁的磁场之间的相互作用产生的。由于超导体的完全抗磁性，永久磁铁磁场的磁力线无法进入超导体内部，所以，在磁场中运动的具有封闭表面的超导体，其前方的磁力线有被压缩得更紧密的倾向，超导体前方受到的磁场压力要大于后方受到的磁场压力，磁场会对超导体的运动产生阻力。

基于这个原理，我们可用超导材料制作宇宙飞船的外壳。如果它前往探险的目标途中有一颗具有强大磁场的磁白矮星，那么，可以先近距离飞过这个磁白矮星，利用它的磁场对超导飞船的巨大作用力，把飞船速度降低到需要的水平，再飞往目标行星。

宇宙飞船外壳需做成超导体，形状宜采用扁平状。这样能使飞船获得更大的磁场作用力，在减速过程中飞行也更加平稳。理论分析表明，具有封闭表面的超导飞船在磁场中运动受到的磁阻力 F 与：①磁白矮星的磁场强度b（单位为T）；②飞船相对于磁场的运动速度V 及它与光速c的比值f＝V /C；③飞船在与速度垂直的平面的投影面积SS（单位为米2）有关，且可由下式计算：

飞船变速（刹车）航线示意

计算发现，进场初速0.1c，距中心48600千米处，磁场力≈1.51×1011牛,而此时星体对飞船的万有引力仅为磁场力的1/237 。在磁白矮星近旁，磁场对超导飞船相对于磁场的运动的阻力大大超过万有引力，从而使飞船的速度和方向发生巨大的变化，这就是磁白矮星可以用来作为宇宙航行的中转站的原因。

宇宙航行时可利用途中磁白矮星作为中转站，使飞船速度量级由进场的0.3～0.1c（90000～30000千米/秒）下降到离场的0.005c（1500千米/秒）以下,刹车效果十分显著。另外，计算还发现，如果磁白矮星旋转速度较高（≥18°/秒），不仅可以用它减速，还可以使飞船加速(由进场的1000千米/秒增加到离场的16000千米/秒)。这个办法最大的好处是变速过程中飞船基本不消耗燃料,但飞船完成变速时间很短，必须能承受极高的过载。

但是，如果用“智能机器人”代替航天员打头阵，将“来、回”都要加速和减速的宇宙飞船改为有极强自主功能的“单程”无人探测器，不仅可以节省能量、缩小火箭和宇宙飞船规模，还可以通过延长航行时间降低对动力的苛刻要求，为半个世纪前“不可想象”的恒星间的航行探寻一条较为靠谱的出路。

方案设想与前景展望

钱老在《星际航行概论》中写到“氘火箭发动机是最有希望的发动机”，“可以断言，氘火箭发动机的实现将使人类的星际航行进入一个新的时代”（见该书第149页）。48年来，研究人员为约束核聚变上亿度、十亿度的高温做了不懈的努力，但行家们普遍认为半个多世纪后才能用它发电，至于将它做成火箭用的发动机，则需要更长的时间（除了喷气速度达到0.1c，发动机还不能太重）。

虽然目前太阳系周围是否存在本文设想的“主星、行星和磁白矮星”宇宙航行条件还不很明晰，但近年来天文学多次重大发现令人鼓舞。

自从1995年在距离地球51光年发现首颗行星后，接连又在距离100光年范围里发现多颗行星。2008年11月，美国天文学家保尔·卡拉斯宣布实际观测到距离25光年的系外行星“北落师门b”绕恒星运动的踪迹，它使人们首次目睹了“行星就在我们周围”的事实。2007年4月，欧洲天文学家在距离地球20.5光年处发现质量体积与地球同量级的行星Gliese 581c，其表面温度竟然是1℃～51℃。科学家们欢呼这是“在搜寻宇宙生命道路上迈出的重要一步”。这个事实不仅使人们真切地感受到“类地行星近在身旁”，也使人们有理由期待，过几年很可能在距离更近的范围里发现“可作为宇宙航行目标的类地行星”！

行星绕恒星北落师门运动的踪迹右下角放大图中显示出一颗行星“北落师门b” 围绕恒星“北落师门”运动的轨迹（2004和2006年两次照相，它处在不同的位置上），“北落师门”周围的红色光影区是绕它运动的小天体带或尘埃盘

太阳邻近就有不少白矮星，但双星系统中的白矮星与主星的角距很小，且因发光面积小，亮度通常只有主星的千分之几到万分之几，所以观测起来就像是辨认在大探照灯前飞舞的小萤火虫，很难得到用以确定表面磁场强度的高信噪比光谱资料（例如离地球约11光年的南河三双星系统，Gliese 星表上没有标明南河三B的表面磁场强度）。我们邻近有很多双星系统，由于伴星的亮度还不到主星的千分之一，致使至今还不能确定它们的光谱型；但是目前已确定，在离我们16光年范围，至少有3颗白矮星（天狼星B、南河三B和波江座40B）是双星（聚星）系统的成员。其中，天狼星B和天狼星A（主星）相距20AU，有资料介绍，1995年法国天文学家毕奈斯特发现天狼星A还有一颗小伴星，可能是一颗红矮星，也可能是一颗大行星。主星和小伴星距离23AU，相当于从太阳到天王星的距离。笔者未查到天狼星B的磁场强度资料，但也给人一种联想：说不定过几年天文学家给大家一个惊喜，那是颗磁白矮星……。

北落师门在星座中的位置

北落师门行星系统与太阳系比较图

距离我们20.5光年的Gliese 581c行星环绕着红矮星“Gliese 581”运行

Gliese 581 c行星表面的想像图

曾有学者猜测太阳有一个遥远的性质未知的暗伴星，白垩纪末期恐龙的灭绝就与它有关,然而至今也没有找到它，但是也没有证据表明它不可能存在。如果将来人们找到它并确定它是一颗具有较高自转速度的强磁白矮星，那时就可以利用它来为我们拜访地外文明世界的超导宇宙飞船加速了……。

今年是钱学森先生诞生100周年。他在《星际航行概论》中对宇宙航行的科学分析，使大家认识到实现“伟大的理想”的艰难。他在文章中说的“我们有信心不但能够像今天那样进入星际航行的时代，而且也将实现宇宙航行”，更使后辈们意识到责任。让我们发挥聪明才智，共同探索出新的途径，早日把人类实现宇宙航行的梦想变成现实。

两个恒星间航行设想及比较