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雷射:開啟未來星際探險的鑰匙
專訪中研院天文物理所顏吉鴻博士
藝術家摹畫光帆的構想圖(來源:NASA/Marshall Space Flight Center)
每當人們仰望繁星閃爍的夜空,總是充滿著敬畏、好奇、探索等複雜情緒,人們運用各種方式,除想知道人類在宇宙中是否是孤獨,也想知道若是有一天人類具備星際移民的能力後,人們有何處可去。最初人們用看的,接著用聽的,隨著雷射科技的進步,人們可以用雷射「梳理」過來自恆星的星光,找出類似地球的行星,甚至像在宇宙中駕駛帆船一樣,用「光帆」駛向某顆想一親芳澤的星球。

在各種人們探索宇宙的方法和工具中,伽利略(Galileo Galilei)在 1609 年使用的折射望遠鏡,大概是最為人們熟知的工具。到 20 世紀發展出無線電波望遠鏡,美國國家無線電波天文臺(National Radio Astronomy Observatory)的天文學家德瑞克(Frank Drake)在 1960 年首次使用口徑 26 公尺的電波望遠鏡尋找外星訊息,1977年俄亥俄州立大學更開啟「搜尋地外文明計劃(Search for Extra-Terrestrial Intelligence,SETI )」,讓電波望遠鏡成為許多科幻電影中第一線接觸外星訊息的常客。

然而除了最傳統的用肉眼看,或是透過電波望遠鏡仔細聆聽,任職於中央研究院天文物理所 ,OIR/EPO 計畫支援工程師顏吉鴻指出,天文學家在尋找系外行星時,都卜勒效應是重要的方式之一。

當二個天體因為重力,以共同的質心為中心旋轉時,行星的重力讓恆星輕微的振動,並且恆星的光譜中,看到紅移或藍移的都卜勒效應。所以當人們先將恆星的光形成光譜,再觀察其中特定譜線的波長,是否存在周期性增加或減少,若有這些變化,即代表由於行星的存在,讓恆星的徑向速度發生改變。但顏吉鴻表示,依照質量的大小,這樣的外移可能小到每秒數公尺的速度,並不容易觀察。

即使是以太陽系中質星最大的木星為例,太陽會因此用大約每秒 10 公尺的速度,環繞著彼此的質心旋轉,可是想從恆星光譜測到每秒 10 公尺的都卜勒效應,觀測者不能只觀察ㄧ條譜線的都卜勒位移,必須同時監看大量的譜線,曾有二組人馬因為這方面的突破,獲得諾貝爾物理獎的殊榮。

首先是瑞士天文學家梅爾(Michel Gustave Édouard Mayor)和他的學生奎洛茲(Didier Queloz)發現釷(Thorium)氣燈因為能產生從近紅外ㄧ直到紫外光的繁密光譜線,讓他們在 1995 年運用這個極佳的光譜尺,在人類歷史上第ㄧ次發現環繞類似太陽的系外行星,他們二人也在 2019 年榮獲諾貝爾物理獎。只是受限於氣體的化學性質,人們無法隨心所欲,很方便地在想要的波段,用人工製造一組參考光譜,這時能產生密集、而且譜線等距的光梳雷射,就成為科學家手中刻度精準,讓量測都卜勒位移更為方便的那把尺,德國亨施(Theodor Hansch)、美國霍爾(John Hall)也正是因為對光梳雷射的發展貢獻,獲得 2005 年諾貝爾物理獎。

雷射輸出頻率是單頻或寬頻,從 1960 年代以來就幾乎是雷射科技發展的二條平行線,想成功操控離子群的量子糾纏態,證實量子電腦的可行性,必須依靠單頻雷射;而若是想透過慣性侷限,利用雷射的衝擊波產生核融合,就是寬頻雷射的領域,但光梳雷射卻是融合了單頻和寬頻二種雷射的特性。

光梳雷射的頻率可以涵蓋不可見光到紫光:而且這些不同頻率的光不會隨著時間而變化,很穩定地就像梳子的齒一樣,分布在頻率軸上,顏吉鴻形容,光梳雷射的波長都是整數倍,因此非常整齊,就像一把相當精細的尺,天文學家可以用來對照頻譜線,藉此找出即使是非常微小的移動。

從頻率軸的角度來看,光梳雷射相當於一百萬臺單頻雷射的組合,在1015 Hz的振動頻率下,每「臺」單頻雷射具有小於1 Hz的頻率解析度,讓光梳雷射可以快速量測恆星的寬廣光譜中,不同波長的都卜勒效應。

雷射科技的發展,除成為人們尋找遙遠星空中,那些可能存在文明或是適居行星的利器,也可能成為人們進行太空飛行時,可能的未來推進動力。在太空飛行器上安裝可以反射太陽光或其它光源的薄膜鏡片,讓光子的反射產生輻射壓,進而在這片類似風帆的「光帆」上形成推力,顏吉鴻指出,這應該是唯一可以進行加速,又不需要攜帶燃料的方法,而剩下就是相對論的限制。

只是太陽雖然看起來如此強大,但太陽光子落在「太陽帆」或「光帆」上的效率,實在有點不成比例,因此科學家們從二個方面著手:可以直接在地球發射高功率雷射,瞄準「太陽帆」或「光帆」,這樣可以讓太空飛行器能更有效推進,但雷射光如果沒有打準,會使太空船失控。另外, NASA 的科學團隊曾構想在「光帆」前安裝一個雷射陣列,讓這個雷射系統向「光帆」發射定向集中的超強光子,不僅可改善「光帆」光子不集中、地面雷射可能打偏等問題,也能提高推進效率。

包括美國民間組織行星協會(The Planetary Society)、 NASA、日本宇宙航空研究開發機構(Japan Aerospace Exploration Agency,JAXA)等都曾進行「太陽帆」或「光帆」的計畫,物理學家霍金(Stephen Hawking)和投資人米爾納(Yuri Milner)更曾在 2016 年宣布「突破攝星(Breakthrough Starshot)」計畫,希望研發名為「星片(StarChip)」的「光帆飛行器」,能以五分之一光速、經過約 20 年的航行時間,抵達半人馬座α星,並在到達後再經過約4年的時間向地球傳回信息。

只是人們曾經發射過使用「太陽帆」或「光帆」的太空飛行器,配置的帆都不夠大、飛行速度也不太快,也都是無人的輕型飛行器,若是要能進行動軋光年起跳的星際載人飛行,實現人類星際旅行或移民的未來夢想,恐怕還有其它的動力來源,而雷射也會扮演重要的角色,只是那又是另一個故事了。