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赏金总量：35 USD
研究种类：Space Exploration，Halo, Black Hole
原文作者: Ambreal Jiang
创作者：Hahaho@DAOrayaki.org
审核者：Skyone@DAOrayaki.org
原文: Halo Drives: The Black Hole Slingshot Through Space
小时候，一想到黑洞存在于我们生活的宇宙中，我就感到害怕。想象在一个空间点上，没有任何东西（包括光）可以逃脱这个可怕的巨大“恶魔”的控制。
随着年龄增长，这种恐惧和不安演变成了好奇。当然，黑洞依旧没变，一如既往地“无情”，只是我开始认识到这些致密的宇宙体所拥有的巨大引力和力量。同时我认为被这些奇异的事物吸引，并希望利用它们的能量是很正常的，因为这就是人类的天性——贪婪。
自打人类首次发现宇宙的极限，科学家就一直在不知疲倦的理论化、实验和测试太空探索的可能性，这些探索可以将人类带到火星甚至更远地方的方法。但当前太空探索技术的一个常见问题是：如何收集足够的能量和燃料，可以在不危及整个地球的情况下将火箭长时间发射到太空。从化学到核能，目前没有任何推进技术可以实现我们不受限制地太空旅行的这一终极目标。
也许我们没有跳出固定思维，与其利用地球资源，不如从太空中寻找火箭和宇宙飞船的动力源，或是从黑洞中借来能量呢？
如果人类能够以某种方式从宇宙中这些无法逃避的区域获得能量，那么在太空中自由旅行就有可能实现。
引力弹弓
引力弹弓曾被用于旅行者1号任务，现已是一种成熟且广泛的从太空中获取能量的技术。旅行者1号是NASA于1977年9月5日发射的航天器，使用引力弹弓围绕土星和木星航行，任务目标是研究外太阳系和太阳日光层以外的星际区域。
借由引力弹弓，航天器接近一颗行星并受其引力影响，使航天器的路线发生变化，向不同的方向前进。由于行星的质量比航天器大，所以行星不会对宇宙飞船作出反应。但行星并不是静止的，行星的速度会增加航天器的速度。
以乒乓球为例，想象向一堵墙面投掷乒乓球，乒乓球会从墙面“偷取”动能，以更快的速度反弹。类比下来，航天器（乒乓球）实际就是从引力场（墙壁）反弹，窃取动能，并受行星轨道运行的影响而加速。
就像宇宙飞船从引力场中窃取动能并加速一样，将乒乓球投掷到墙壁上，它会从墙壁上窃取动能，更快地返回投掷者。图片：Expert Table Tennis
地球的轨道周期是365天（一年），而海王星的完整公转周期是165年。行星的轨道相对较慢，引力弹弓只会使航天器的速度增加一倍，因此需要一个更大的天体才能充分利用引力弹弓提供的速度和自由能量。
Dyson弹弓
1963年，普林斯顿物理学家Freeman Dyson利用开普勒第三运动定律发展了Dyson弹弓理论：环绕的恒星或行星的速度取决于它与质心的距离。距离越近，轨道速度越快。
我们可以用两枚螺旋旋转的硬币表示恒星/行星，随着硬币以递减的螺旋方式向下盘旋，硬币绕中心运行的距离越近，它们的速度就越快。
Dyson设想了两颗直径20公里的双子星，它们彼此运动靠近，缩小间隙。在这种双星系统上使用引力弹弓可以将航天器加速到光速的20%。Dyson预测，在遥远的未来，人类可能会为了使用Dyson弹弓而人造双星系统。
如果想使用Dyson弹弓，宇宙飞船必须向双星系统发射，同时因为双星系统由两颗快速绕行的恒星组成，弹弓必须精准计时，以免撞上恒星或落入其引力场，否则人体会遭受难以想象的潮汐力和辐射。
光环驱动：理论层面
2019年2月28日，哥伦比亚大学天体物理学家David Kipping发表了一篇论文，通过结合引力弹弓和Dyson弹弓概念，提出了光环驱动的概念。光环驱动需要两个黑洞在一个双星系统中以高速紧密地相互绕行，这也是Dyson弹弓的理想环境。
观测航天器上将安装一个激光器，并在接近黑洞事件视界的最佳时间以光速发射，向航天器移动。激光将掠过事件视界，而不是进入黑洞，黑洞的引力将使其光路发生扭曲和弯曲。绕过黑洞后，光会回到飞船上。简而言之，黑洞就像一面镜子反射激光束。
光环驱动的名字源于环绕黑洞的激光束环，因为它很像光环。
光环驱动：物理层面
牛顿的第三运动方程认为每个动作都有一个相等且相反的作用力，激光器与光子组将给航天器提供一个相反方向的轻微推力。像引力弹弓那样，当双子黑洞系统中的黑洞以高速向航天器移动时，激光束光将以更大的能量返回航天器。
由于光在宇宙中以恒定的速度运动，不能加速，所以它不会像航天器或其他固体物体那样获得动能，而是改变光的频率，发生蓝移。为产生和发射激光束而释放的初始能量也包括在飞船吸收的返回和放大的光能中。光环驱动可以无限重复操作以加速航天器，直到其速度相当于黑洞的速度，但在达到该速度限制后，激光束会以红移和能量减少的方式返回。有了光环驱动的额外能量，宇宙飞船的速度可以增加33%。
目前正在进行的“Breakthrough Starshot”项目，将激光驱动的航天器送往半人马座阿尔法星系，与光环驱动相似。该航天器是一支纳米飞船组成的舰队，设计的微型光帆可以行驶4.3光年。由于激光的能量，舰队能以20%的光速移动。
光环驱动的优势
除了可以获得飞船的自由加速且不消耗燃料外，光环驱动允许任意方向的加速，并且任何质量物体的加速度都明显低于黑洞的质量。此外，激光束的光环驱动弹弓是在一定距离下进行的，比Dyson弹弓的风险要小得多，因为在Dyson弹弓中，宇宙飞船被发射到双星系统。此外，光环驱动可以加速宇宙飞船，也可以通过反向执行光环驱动程序使其减速。
光环驱动的缺点
尽管银河系中约有1000万个类似系统，但光环驱动的缺点是如何寻找和前往附近的双体黑洞系统，包括成本问题。根据Kipping的说法，我们所知最近的双体黑洞系统是A0620-00（也被称为V616 Monocerotis），距离地球3000光年，其内部涵括的质量相当于13个太阳。
光环驱动的未来
希望短期内使用或许不现实，可一旦研究人员克服障碍并接近黑洞，得以使用光环驱动，我们就可以使用“加油站”双黑洞系统加速航天器。也许不久之后的一天，太空旅行甚至会比地球上的公共交通更高效。光环驱动器的实现会使我们离理想的、未来主义的星际高速公路更近，在那里，快速且不受限制的太空旅行将成为可能。
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