恒星間航行とは？定義・有人／無人探査・イオン／レーザー推進の現状

恒星間旅行の最大の課題は、広大な距離を移動しなければならないことです。つまり、非常に速い速度と長い移動時間が必要となる。最も現実的な推進方法での移動時間は、数十年から数千年に及ぶだろう。

そのため、恒星間航行船は、真空、放射線、無重力、マイクロメテオロイドなど、惑星間航行で生じる危険にさらされることが多くなる。高速走行時には、厳重なシールドを施さない限り、多くの微細な物質の粒子が機体を貫通することになる。遮蔽物を搭載すると、推進力の問題が大きくなる。

宇宙線

宇宙線は、大気や磁場の外では保護されないため、非常に興味深い存在です。最もエネルギーの高い超高エネルギー宇宙線（UHECR）のエネルギーは、大型ハドロン衝突型加速器で加速された粒子の約4,000万倍の3×10²⁰eVに達することが観測されている。最高エネルギーの超高エネルギー宇宙線は50Jで、時速90kmの野球の運動エネルギーに匹敵する。これらの発見により、さらに高いエネルギーの宇宙線の研究が注目されている。しかし、ほとんどの宇宙線はそこまでのエネルギーを持っていません。宇宙線のエネルギー分布のピークは0.3ギガ電子ボルト（4.8×10⁻¹¹J）である。

必要なエネルギー

重要なのは、適度な移動時間を得るために必要なエネルギーです。必要なエネルギーの下限は、運動エネルギーK = ½ mv²（mは最終的な質量）です。到着時に減速したい場合、船のエンジン以外の方法では減速できないので、必要なエネルギーは少なくとも2倍になります。これは、船を停止させるために必要なエネルギーと、移動速度まで加速させるために必要なエネルギーが等しいからです。

最も近い星まで数十年かけて有人で往復する場合の速度は、現在の宇宙船の数千倍にもなります。つまり、運動エネルギーの計算式にv²項があるため、数百万倍のエネルギーが必要になるのです。1トンを光速の10分の1まで加速するには、損失を考慮しなくても、少なくとも450PJ（4.5×10¹⁷J）、1,250億kWhが必要となる。

太陽電池パネルは、太陽や他の星から遠く離れた場所では機能しないため、エネルギー源を運ばなければならないのである。このエネルギーの大きさは、星間旅行を不可能にするかもしれない。ある技術者は、「（ケンタウルス座アルファ星への）航海には、全世界の（ある年の）総エネルギー出力の少なくとも100倍が必要になる」と述べている。

恒星間物質

星間ダストやガスは、高い相対速度と大きな運動エネルギーを伴うため、船体にかなりのダメージを与える可能性があります。より大きな物体（より大きな塵の粒など）は、はるかに少ないですが、より大きな破壊力を持つでしょう。.

移動時間

移動時間が長いため、有人ミッションの設計が難しい。また、時空間の基本的な限界も課題となる。また、恒星間飛行を経済的に正当化することは困難である。

50年以内に完成させることができない恒星間飛行ミッションは、そもそも開始すべきではないと言えるでしょう。その代わりに、より優れた推進システムの設計に資源を投入すべきです。なぜなら、遅い宇宙船は、後から送られてきたより高度な推進力を持つ別のミッションに追い越されてしまう可能性があるからです。

一方で、推進技術よりも非推進技術の問題の方が難しいことが判明した場合には、ミッションの開始を遅らせるべきだというケースもあります。

銀河間飛行は、恒星間飛行の約100万倍の距離を移動することになり、恒星間飛行よりもはるかに困難である。

ケネディの計算

アンドリュー・ケネディは、最小待機時間前に出発した航海は、最小時間に出発した航海に追い越されるが、最小時間後に出発した航海は、最小時間に出発した航海を追い越すことはないことを示した。

ケネディの計算は、世界の電力生産量の年間平均増加量であるrに依存する。任意の時点から任意の目的地まで、目的地までの総時間には最小値がある。航海者は、出発する前に時間tだけ待つことで、後から来た航海者に追い越されることなく到着するだろう。ある目的地に到着するまでの時間（現在、T_now、または待った後、T_t）と移動速度の成長との関係は

T n o w T t = ( +1 r ) t 2{\frac {T_{now}}{T_{t}}}={(1+r)}^{tfrac {t}{2}}}}となる。

ケネディ氏は、6光年離れたバーナード星への旅を例にとり、世界の平均年間経済成長率を1.4％とし、それに応じて移動速度を向上させた場合、人類文明が最も早くこの星に到達できるのは、2007年から1,110年後であることを示している。

恒星間距離

天文上の距離は、多くの場合、光のビームが2点間を移動するのにかかる時間で測られる（光年参照）。真空中の光は毎秒約30万キロ、18万6千マイルの速さである。

地球から月までの距離は1.3光秒。現在の宇宙船の推進技術では、地球から月までの距離を約8時間でカバーすることができます（New Horizons）。つまり、光は現在の宇宙船の推進技術の約3万倍の速さで進むことになります。地球から太陽系内の他の惑星までの距離は、3光分から約4光時間です。惑星の種類や地球との位置関係にもよるが、一般的な無人宇宙船の場合、数ヶ月から10年強の時間がかかる。他の星への距離はもっと長い。地球から太陽までの距離を1メートルに縮めると、ケンタウルス座α星Aまでの距離は271キロメートル、約169マイルになる。

太陽に最も近い恒星はプロキシマ・ケンタウリで、その距離は4.23光年です。最速の探査機であるボイジャー1号は、30年間で1,600分の1光年を進み、現在は光速の1万8,000分の1の速度で移動している。この速度では、プロキシマ・ケンタウリまでの旅は7万2千年かかることになる。もちろん、このミッションは星への高速移動を目的としたものではなく、現在の技術ではもっと良いものができるはずだ。ソーラーセイル（太陽帆）を使えば数千年、核パルス推進を使えば100年以下に短縮できるだろう。

特殊相対性理論では、移動時間を短縮できる可能性がある。十分に発達したエンジンを搭載した宇宙船が光速に近い速度に達することができれば、相対論的な時間の拡張により、旅行者にとってははるかに短い旅になるだろう。しかし、地球に残っている人たちから見れば、何年もの時間が経過していることになる。地球に戻ってきた旅行者は、自分の時間よりも地球の時間の方がはるかに長く経過していることに気づくだろう（双子のパラドックス）。

ワームホールが存在すれば、多くの問題が解決します。一般相対性理論ではワームホールの存在は否定されていませんが、現在のところ存在しないことがわかっています。

コミュニケーション

往復遅延時間とは、探査機の信号が地球に到達してから、探査機が地球からの指示を受けるまでの最短時間のことです。情報は光速以上には進まないので、ボイジャー1号の場合は約32時間、ケンタウルス座付近では8年になるという。より速い反応は、自動的に実行されるようにプログラムされなければならない。もちろん、有人飛行の場合には、乗組員は観測結果にすぐに反応することができます。しかし、往復の遅延時間があると、極端に遠いだけでなく、通信の面でも地球から極端に孤立してしまう。また、恒星間通信が確実に届くためには、エネルギーが必要である。当然のことながら、ガスや粒子によって信号は劣化するし（星間消滅）、信号を送るためのエネルギーにも限界があるだろう。

有人ミッション

人間を運ぶことができる船の質量は、無人の星間探査機に必要な質量よりも必然的に大きくなる。膨大な移動時間がかかるため、生命維持装置が必要になる。最初の恒星間探査では、生命体を運ぶことはできないだろう。

太陽から20光年以内には59の恒星系が知られており、目に見える星は81個ある。その中で、恒星間探査の主要なターゲットと考えられるのが以下の星系である。シリウスへの遠征では、放射線の危険性を考慮して、有機物は一切使用しないことになっている。いずれにしても、予想される所要時間を考えると、有人での探査はまったく考えられない。

おそらく恒星間旅行の最も可能性の高い時期は、星がオールト・クラウドを通過するときでしょう。この場合、1万年前には警告が出ているはずなので、ある程度詳細な計画を立てることができるだろう。星が最後に通過したときのショルツ星を参照してください。

これらの天体の周辺にある惑星系を見つけることができる既存および近未来の天文学的技術は、探査の可能性を高めます。