では、アルファケンタウリにはどうやって行くのでしょうか?

ユーリ・ミルナーが本日発表した1億ドルのブレークスルー・スターショット計画では、巨大なレーザーを使って小型宇宙船をアルファ・ケンタウリに打ち上げる計画だ。宇宙船の推進にレーザー砲を使うのはSFのように聞こえるかもしれないが、これまでの研究によると、「レーザー航行」は人類が生きている間に探査機を別の恒星に送り込む数少ない方法の1つかもしれないという。

アルファケンタウリは地球に最も近い恒星系ですが、それでも約 4.37 光年離れています。これは 25.6 兆マイル以上、つまり地球から太陽までの距離の 276,000 倍以上に相当します。

SF作家でNASAの物理学者ジェフリー・ランディスがかつて説明したように、従来のロケットは、人間の一生の間にアルファケンタウリまでの膨大な距離を横断するには、まったく効率が足りません。たとえば、スペースシャトルの最高速度は時速約17,600マイルで、アルファケンタウリに到達するにはおよそ165,000年かかります。

現在の宇宙船が飛行に使用しているすべてのスラスタの問題は、搭載して推進力として使用している推進剤に質量があることです。長距離飛行には大量の推進剤が必要となり、それによって宇宙船が重くなり、さらに推進剤が必要となり、さらに重くなる、というように、宇宙船が大きくなるにつれてこの問題は指数関数的に悪化します。

科学者たちは何十年にもわたり、恒星間旅行の潜在的な解決策をいくつか議論してきましたが、それぞれに欠点があります。

• 反物質エンジンは、反物質と物質が互いに消滅するときに放出される膨大な量のエネルギーに依存しており、フェルミ国立加速器研究所とロスアラモス国立研究所にかつて所属していた物理学者2人が、Kickstarterで反物質エンジンのプロトタイプを作る計画を立てている。しかし、現在の反物質製造方法では、極微量しか生成できず、1グラムの製造に1000億ドル以上の費用がかかる可能性がある。人類が星間旅行に十分な量の反物質を生成できたとしても、それを安全に保管および操作できるかどうかは不明である。これまでのところ、科学者は最大で約16分間反水素を封じ込めることができている。

• 核融合ロケットは、核融合炉を使用して、ロケットの背面から超高温の推進剤を噴射します。しかし、受け取るエネルギーよりも多くのエネルギーを出力する核融合炉を科学者が構築できるようになるまでには数十年かかる可能性があり、さらに研究者は、ロケットに搭載できるほど小さな核融合炉を作成する方法を見つけ出す必要があります。

• サイエンスフィクションでは、ラムスクープ（別名バサード ラムジェット）は、燃料を運ぶ代わりに電磁場を利用して周囲から燃料を吸い上げ、星間空間を横断します。しかし、ランディス氏は、星間空間はラムスクープの設計者が考えていたほど水素燃料で密集していないと指摘しました。さらに、さらなる研究により、ラムスクープはパラシュートのように動作し、推力よりも抗力を生み出すという残念な効果があることが示唆されました。さらに、ランディス氏は、星間空間で見つかる通常の水素を核融合燃料として正確にどのように使用できるかはまだ不明であると述べました。代わりに、人工核融合の提案では、一般的に重水素などの水素の重い同位体が使用されています。

• 核パルス推進は、巨大なプレートで保護された船の後ろに小さな核爆弾を投げ込む。爆発はプレートに押し付けられ、船は爆発に乗って宇宙空間を移動する。有名な物理学者フリーマン・ダイソンは、このようなエンジンはおよそ 1 世紀以内にアルファケンタウリに到達できると計算し、カール・セーガンは、これが現在の核兵器備蓄の優れた用途になるだろうと示唆した。しかし、核兵器を厳しく規制する条約があるため、このようなエンジンの製造は困難である。

• 世代宇宙船は、アルファケンタウリまでの飛行には数千年かかるかもしれないという事実を受け入れており、何世代にもわたる宇宙飛行士を収容できる巨大な宇宙船であるが、それほど長期間にわたる宇宙飛行の肉体的、精神的課題に人間が耐えられるかどうかについては、まだ多くのことが分かっていない。

人類の一生のスケールで恒星間旅行を行う最も現実的なシナリオは、ブレークスルー・スターショット計画が現在提案しているレーザー帆かもしれない。この戦略では、宇宙船に鏡を装備し、強力なレーザーを利用してこれらの探査機を外に押し出す。光は大きな圧力を及ぼさないが、これまでのプロジェクトではすでに、太陽の光で推進する宇宙船であるソーラーセイルのテストが数多く成功している。

カリフォルニア大学サンタバーバラ校の実験宇宙学者フィリップ・ルービン氏と彼の同僚は以前、地球を周回する幅10キロメートルのレーザーアレイから50～70ギガワットのレーザーを発射すれば、幅1メートルの帆を備えた重さ1グラムのチップ状の宇宙船を、約10分間のレーザー照射で光速の25パーセント以上まで加速できると計算した。これは宇宙船が火星に30分で、アルファケンタウリに約20年で到達できることを意味する。各「宇宙チップ」はカメラ、電源、ナビゲーション、通信などのシステムを搭載した完全な小型宇宙船であり、この巨大な軌道アレイは年間約4万機の探査機を打ち上げることができる。

ブレークスルー スターショットは、軌道上のレーザー プラットフォームの代わりに、地上の高高度レーザー アレイの構築を提案しています。この「フェーズド アレイ」は、同期して 1 つの強力なレーザーのように機能する比較的小規模なレーザーで構成され、適応光学と呼ばれる変形可能なミラーを使用して、大気がレーザー ビームに与える歪み効果を補正します。ブレークスルー スターショットは次に、数千個の宇宙チップを搭載した母船を軌道上に打ち上げ、そのレーザー アレイがこれらの探査機をこれまで誰も行ったことのない場所に送ります。

この戦略には、重大な欠点が 1 つあります。それは、現在のところ、探査機は目標地点に到達した後、減速する手段がないことです。それでも、ブレークスルー スターショット チームのメンバーであるルービン氏は、これらの探査機が少なくともアルファ ケンタウリ付近を飛行し、最も近い隣の惑星がどのようなものかを示すデータを送信できると示唆しています。

今後の研究では、さらに変わった形の帆が開発される可能性があります。たとえば、ランディスは磁気帆を提案しています。レーザー帆は空間に拡散するレーザービームに依存しているため、遠距離ではレーザー帆を効果的に推進できませんが、磁気帆は粒子ビームによって駆動され、理論上は比較的一定の力で長時間宇宙船を推進できます。

宇宙航行のもうひとつの可能性のある形は、シアトルの物理学者で航空宇宙エンジニアのジョーダン・ケア氏が提案した「セイルビーム」です。基本的には、レーザーアレイが多数の小型レーザー帆を宇宙船に向けて推進し、これらの弾丸の衝撃で宇宙船を前進させます。レーザー航行と核パルス推進のハイブリッドのようなものです。

全体的に見て、ブレークスルー スターショットは新しい帆船時代の到来を告げる可能性がある。「私たちの故郷の星を越える旅は、私たち全員にとって意義深いものとなるでしょう」とルビン氏は言う。