恒星間旅行

恒星間旅行は、宇宙船が恒星系間を仮想的に旅行することです。太陽系と近くの恒星との距離が非常に遠いため、現在の推進技術では恒星間旅行は実行可能ではありません。

妥当な時間（数十年または数世紀）内に恒星間を移動するには、恒星間宇宙船は光速のかなりの部分に達する必要があり、膨大なエネルギーが必要になります。このような恒星間宇宙船との通信は、光速のために何年もの遅延が発生します。そのような速度で宇宙の塵やガスに衝突すると、このような宇宙船にとって壊滅的な結果となる可能性があります。有人恒星間旅行は、世代宇宙船を作ることで、よりゆっくりと（人間の生涯のスケールをはるかに超えて）行うことができる可能性があります。架空の恒星間推進システムには、核パルス推進、核分裂片ロケット、核融合ロケット、ビームソーラーセイル、反物質ロケットなどがあります。

恒星間旅行の利点には、居住可能な太陽系外惑星や遠くの恒星の詳細な調査、地球外知的生命体の包括的な探索、宇宙植民地化などがある。5機の無人宇宙船が太陽系を離れているにもかかわらず、それらは他の恒星系を探索するために意図的に設計されていないため、「恒星間宇宙船」ではない。そのため、2020年代の時点でも、恒星間宇宙飛行は、推測的な未来研究やSFで人気の比喩であり続けている。恒星間旅行を習得した文明は、恒星間種族と呼ばれる。

太陽系の惑星間の距離は、太陽と地球の平均距離として定義される天文単位（AU）で測定されることが多く、約1.5 × 10 ⁸キロメートル（9300万マイル）です。地球に最も近い惑星である金星は（最接近時）0.28 AU離れています。太陽から最も遠い惑星である海王星は29.8 AU離れています。2023年1月20日現在、地球から最も遠い人工物であるボイジャー1号は163 AU離れており、17 km/s（光速の0.006％）の速度で太陽系から出ています。^[1]

最も近い既知の恒星であるプロキシマ・ケンタウリは、およそ 268,332 AU 離れており、これは海王星の 9,000 倍以上も遠い距離です。

このため、恒星間の距離は通常、光年（真空中を光が 1ユリウス年に移動する距離として定義）またはパーセク（1 パーセクは 3.26 光で、恒星の視差がちょうど 1秒角になる距離なので、この名前が付けられています）で表されます。真空中の光は 1 秒間に約 300,000 キロメートル（186,000 マイル）移動するため、1 光年は約 9.461 × 10 ¹²キロメートル（5.879 兆マイル）または 63,241 AU です。したがって、プロキシマ・ケンタウリは地球から約 4.243 光年離れています。

星間の距離の広大さを理解するもう 1 つの方法は、スケールを使うことです。太陽に最も近い恒星の 1 つであるアルファ ケンタウリ A (プロキシマ ケンタウリの 2 つの伴星の 1 つである太陽に似た恒星) は、地球と太陽の距離を 1 メートル (3.28 フィート) にスケールダウンすることで描くことができます。このスケールでは、アルファ ケンタウリ A までの距離は 276 キロメートル (171 マイル) になります。

これまでに打ち上げられた宇宙船の中で最速の宇宙船であるボイジャー1号は、 46年かけて1光年の390分の1を移動し、現在は光速の17,600分の1の速度で移動している。この速度だと、プロキシマ・ケンタウリまでの旅には75,000年かかることになる。^{[2] [1]}

困難さの大きな要因は、妥当な移動時間を得るために供給しなければならないエネルギーです。必要なエネルギーの下限は運動エネルギー で、 は最終質量です。到着時に減速が必要で、船のエンジン以外の手段では減速できない場合は、必要なエネルギーの下限は の 2 倍になります。 ${\displaystyle K={\tfrac {1}{2}}mv^{2}}$${\displaystyle m}$${\displaystyle mv^{2}}$

最も近い恒星までの数十年かかる有人往復の速度は、現在の宇宙船の数千倍にもなります。つまり、運動エネルギーの式の項により、数百万倍ものエネルギーが必要になります。1トンを光速の10分の1まで加速するには、推進機構の効率を考慮に入れなくても、少なくとも450ペタジュール、つまり4.50 × 10 ¹⁷ジュール、つまり125テラワット時^[3]（ 2008年の世界エネルギー消費量は143,851テラワット時）^[4]が必要です。このエネルギーは、機内に貯蔵されている燃料から生成するか、星間物質から採取するか、または非常に遠くまで投射する必要があります。 ${\displaystyle v^{2}}$

宇宙船が通過しなければならない星間ガスと塵の特性に関する知識は、あらゆる星間宇宙ミッションの設計に不可欠です。 ^[5]超高速で移動する際の主な問題は、必要な相対速度が高く、運動エネルギーが大きいため、星間塵との衝突により宇宙船にかなりの損傷が発生する可能性があることです。この問題を軽減するためのさまざまな遮蔽方法が提案されています。^[6]より大きな物体（マクロな塵粒子など）ははるかにまれですが、はるかに破壊的です。そのような物体に衝突するリスクと軽減方法は文献で議論されていますが、多くの未知の点が残っています。^[7]さらに考慮すべき点として、太陽の周りの星間物質の分布は不均一であるため、これらのリスクは軌道によって異なります。^[5]高密度の星間物質は多くの星間旅行の概念に困難をもたらす可能性があるが、星間ラムジェットや減速星間宇宙船のいくつかの提案された概念は、実際にはより高密度の星間物質から恩恵を受けるだろう。^[5]

恒星間宇宙船の乗組員は、長期の孤立による心理的影響、極度の加速による生理的影響、電離放射線への曝露による影響、無重力による筋肉、関節、骨、免疫系、目への生理的影響など、いくつかの重大な危険に直面することになる。また、微小隕石やその他の宇宙ゴミによる衝突のリスクもある。これらのリスクは、まだ克服されていない課題である。^[8]

空想小説作家で物理学者のロバート・L・フォワードは、 50年以内に完了できない恒星間ミッションはそもそも開始すべきではないと主張している。代わりに、文明がまだ推進システムの速度の増加曲線上にあり、まだ限界に達していないと仮定すると、リソースはより優れた推進システムの設計に投資されるべきである。これは、遅い宇宙船は、より高度な推進力を備えた後続のミッションに追い抜かれる可能性が高いためである（絶え間ない陳腐化の仮説）。^[9] 2006年、アンドリュー・ケネディは、より正確な待機計算の概念を使用してバーナード星への旅行の理想的な出発日を計算した。待機計算では、目的地と推進能力の成長率に応じて、以前の打ち上げを追い越し、後の打ち上げには追い越されない出発点があり、「成長が年間約1.4％で継続する場合、6光年の恒星間旅行は今から約635年後、つまり西暦約2641年に行うのが最善である」と結論付けた。^[10]これは銀河系を占領している競合する文化にとって最も重要な計算であるかもしれない。^[11]

太陽から40光年以内には59の恒星系が知られており、そのうち81の恒星が目に見える。以下は恒星間探査ミッションの主なターゲットと考えられる。 ^[9]

既存の天文学技術はこれらの天体の周囲に惑星系を発見することができ、探査の可能性を高めています。

現在および近い将来の推進技術に基づく「低速」恒星間ミッション（他の基準では高速）は、数十年から数千年かかる旅程と関連付けられています。これらのミッションは、ボイジャー計画で使用されたような惑星間探査機と同様に、ロボット探査機を近くの恒星に探査のために送り込むものです。 [ ^17]乗組員を同行させないことで、ミッションのコストと複雑さが大幅に軽減され、加速する必要のある質量も軽減されますが、技術の寿命は、適切な移動速度の達成に次いで依然として重要な問題です。提案されたコンセプトには、ダイダロス計画、イカロス計画、ドラゴンフライ計画、ロングショット計画、^[18]、および最近ではブレークスルースターショット計画などがあります。^[19]

近い将来、既存のマイクロチップ技術と新たに開発されたナノスケールのスラスタを基盤として、光速に近い速度のナノ宇宙船が実現可能になるかもしれない。ミシガン大学の研究者は、推進剤としてナノ粒子を使用するスラスタを開発している。彼らの技術は「ナノ粒子場抽出スラスタ」またはナノFETと呼ばれている。これらの装置は、導電性ナノ粒子を宇宙に発射する小型粒子加速器のように機能する。^[20]

理論物理学者のミチオ・カク氏は、「スマートダスト」の雲を星々に送ることを提唱しており、これはナノテクノロジーの進歩によって可能になるかもしれない。カク氏はまた、非常に小さなプローブは磁場や微小隕石などの危険によって簡単に逸れてしまうため、少なくとも1つのナノプローブが旅を生き延びて目的地に到達する可能性を確保するには、多数のナノプローブを送る必要があると指摘している。^[21]

短期的な解決策として、現在のCubeSat技術をベースにした小型のレーザー推進星間探査機がドラゴンフライ計画の一環として提案された。^[18]

有人ミッションでは、ゆっくりとした恒星間旅の持続時間が大きな障害となり、既存の概念ではこの問題をさまざまな方法で対処しています。^[22]これらは、人間が宇宙船に乗って輸送される「状態」によって区別できます。

世代宇宙船（または世界宇宙船）は、目的地に到着した乗組員が旅を始めた人々の子孫であるタイプの恒星間箱舟である。世代宇宙船は、必要とされる巨大な規模の船を建造することが困難であることと、そのような船での生活が引き起こす大きな生物学的および社会学的問題のため、現在のところ実現可能ではない。 ^{[23] [24] [25] [26] [27]}

科学者や作家は、仮死状態を保つためのさまざまな技術を提唱している。これには、人間の冬眠や冷凍保存などが含まれる。どちらも現時点では実用的ではないが、乗客が航海中長時間無活動状態になる寝台船の可能性を示唆している。 ^[28]

凍結された初期段階のヒト胚を数個運ぶロボットによる恒星間ミッションも、理論上の可能性の1つである。この宇宙植民地化の方法には、人工子宮の開発、居住可能な地球型惑星の事前検出、人間の親に代わる完全自律移動ロボットや教育用ロボットの分野の進歩などが必要である。^[29]

星間空間は完全に空っぽというわけではなく、小さな小惑星（オールトの雲）から、おそらくは放浪惑星に至るまで、数兆個の氷の天体が存在する。ゆっくりと天体から天体へと移動したり、途中で中継地点を設置したりすることで、星間旅行の大部分でこれらの資源を活用する方法があるかもしれない。^[30]

もし宇宙船が平均光速の10パーセントで飛行できれば（そして有人飛行の場合は目的地で減速できれば）、プロキシマ・ケンタウリに40年で到達できるだろう。この目標を達成するために最終的に開発される可能性のあるいくつかの推進コンセプトが提案されている^[31]が（以下の§推進を参照）、どれも許容できるコストで近い将来（数十年）に開発できる状態ではない。

物理学者は一般的に、光速を超える移動は不可能だと考えている。相対論的な時間の遅れにより、旅行者は速度が光速に近づくほど、時間をゆっくりと体験することができる。^[32]この見かけ上の減速は、光速の80%を超える速度に達したときに顕著になる。恒星間宇宙船に搭載されている時計は地球の時計よりも遅く進むため、宇宙船のエンジンが約1Gの加速度（人間にとって快適な範囲）を継続的に生成できれば、宇宙船は銀河のほぼどこにでも到達し、船時間で40年以内に地球に帰還できる（図を参照）。帰還時には、宇宙飛行士の宇宙船での経過時間と地球での経過時間には差がある。

たとえば、宇宙船は 32 光年離れた恒星まで旅をし、最初は 1.03g (つまり 10.1 m/s ² ) の一定速度で 1.32 年間 (船の時間) 加速し、その後エンジンを停止して次の 17.3 年間 (船の時間) 一定速度で惰性航行し、その後再び 1.32 船の時間減速して目的地に到着します。短い滞在の後、宇宙飛行士は同じ方法で地球に帰還できます。往復旅行を終えると、宇宙船の時計は 40 年経過していることを示していますが、地球上の時計によると、宇宙船は打ち上げから 76 年後に帰還します。

宇宙飛行士の視点から見ると、船内の時計は正常に動いているように見える。前方の星は、船の年当たり 0.87 光年の速度で近づいているように見える。宇宙は、船が静止していたときの半分の大きさに、移動方向に沿って収縮しているように見える。その星と太陽の間の距離は、宇宙飛行士の測定では 16 光年であるように見える。

速度が速いと、船内の時間の流れはさらに遅くなるため、宇宙飛行士は銀河系の中心（地球から 3 万光年）まで往復するのに船の航海時間で 40 年かかることになる。しかし、地球の時計による速度は常に 1 光年/地球年未満なので、帰還した宇宙飛行士は地球上で 6 万年以上が経過していることに気づくことになる。

どのように達成されるかに関わらず、出発から到着まで継続的に加速できる推進システムが、最も速い移動方法となるだろう。一定加速の旅とは、推進システムが旅の前半は船を一定の割合で加速し、後半は減速して、出発地点に対して静止した状態で目的地に到着する旅である。これを地球の表面で経験するのと同等の加速で実行すれば、乗組員に人工的な「重力」を生み出せるという利点も加わる。しかし、必要なエネルギーを供給するには、現在の技術では法外な費用がかかる。^[34]

惑星観測者から見ると、宇宙船は最初は着実に加速しているように見えますが、光速（超えることはできません）に近づくにつれて徐々に加速していきます。宇宙船は双曲運動をします。^[35]宇宙船は約1年間加速した後、光速に近づき、旅の終わりにブレーキをかけるまでその速度を維持します。

船上の観測者から見ると、乗組員はエンジンの加速と反対の重力場を感じ、前方の宇宙は双曲運動しながらその場に落ちていくように見えます。この過程で、船の運動方向にある物体間の距離は徐々に縮まり、船が減速し始めると、船上の観測者の重力場の体験は逆転します。

船が目的地に到着し、出発惑星とメッセージを交換すると、時間の遅れと長さの収縮により、船上で経過した時間は惑星の観測者にとって経過した時間よりも短くなることがわかります。

その結果、乗組員にとって驚くほど速い旅が実現しました。

すべてのロケットの概念は、排気速度と質量比（初期質量（ M ₀、燃料を含む）と最終質量（M ₁ 、燃料がなくなった質量）の比）の関数として利用可能な特性速度を設定するロケット方程式によって制限されます。

1世紀以内に恒星間目標に到達するには、非常に高い比出力（推力と機体総質量の比）が必要である。 ^[36]ある程度の熱伝達は避けられず、極端な熱負荷が生じる。

したがって、あらゆる技術の星間ロケットのコンセプトにとって、重要な技術的問題（明示的に議論されることはほとんどないが）は、排気流から機体への熱伝達を制限することである。^[37]

電気推進の一種であるイオンエンジンは、ドーンなどの宇宙船で使用されている。イオンエンジンでは、電力を使用して推進剤（通常はガスキセノン）の荷電粒子を作成し、それらを非常に高速に加速する。従来のロケットの排気速度は、燃料の分子結合に蓄積された化学エネルギーによって約5 km/sに制限されている。それらは高い推力（約10 ⁶ N）を生み出すが、比推力が低いため、最高速度が制限される。対照的に、イオンエンジンは推力が低いが、最高速度は原理的に宇宙船で利用できる電力と加速されるガスイオンによってのみ制限される。荷電粒子の排気速度は15 km/sから35 km/sの範囲である。^[38]

核電気エンジンやプラズマエンジンは、低推力で長時間作動し、核分裂炉で駆動され、化学動力の乗り物や核熱ロケットよりもはるかに高い速度に達する可能性があります。このような乗り物は、今世紀中に妥当な移動時間で太陽系探査に動力を与える可能性があります。低推力の推進力のため、惑星外の深宇宙での運用に限定されます。ポータブル電源、たとえば原子炉で駆動する電気宇宙船の推進力は、わずかな加速しか生み出さないため、たとえば光速の 15% に達するには何世紀もかかります。したがって、人間の生涯で恒星間飛行を行うには適していません。^[39]

核分裂片ロケットは、核分裂を利用して核分裂片の高速ジェットを生成し、最高 12,000 km/s (7,500 mi/s) の速度で噴射します。核分裂の場合、エネルギー出力は原子炉燃料の全質量エネルギーの約 0.1% で、有効排気速度は光速の約 5% に制限されます。最大速度を得るには、反応質量は、一次エネルギー源の「灰」である核分裂生成物で最適に構成される必要があるため、質量比に余分な反応質量を計上する必要はありません。

1950年代後半から1960年代初頭にかけての研究に基づいて、核パルス推進エンジン、つまり一連の核爆発によって駆動する宇宙船を建造することが技術的に可能になりました。この推進システムは、非常に高い比推力と高い比出力の可能性を秘めています。^[40]

オリオン計画チームのメンバーであるフリーマン・ダイソンは1968年に、非常に高い燃料燃焼率を持つ純粋な重水素核融合爆発を使用した核パルス推進を使用した恒星間宇宙船を提案した。彼は排気速度15,000 km/sと100,000 km/sのデルタvを達成できる100,000トンの宇宙船を計算し、アルファケンタウリまでの飛行時間を130年にした。 ^[41]その後の研究によると、テラー・ウラム熱核ユニットで駆動するオリオン宇宙船が理論的に達成できる最高巡航速度は、減速用に燃料を節約しないと仮定した場合、光速の約8％から10％（0.08-0.1c）です。^[42]原子（核分裂）オリオンはおそらく光速の3％から5％を達成できます。核融合反物質触媒核パルス推進装置で駆動する核パルス駆動宇宙船も同様に10%の範囲であり、純粋物質反物質消滅ロケットは理論的には光速の50%から80%の速度を得ることができる。いずれの場合も、減速のために燃料を節約すると最大速度が半分になる。磁気帆を使用して目的地に近づくときに宇宙船を減速させるという概念は、推進剤を使用する代わりに議論されており、これにより宇宙船は理論上の最大速度近くで移動することができる。^[43]同様の原理を利用する代替設計には、プロジェクト・ロングショット、プロジェクト・ダイダロス、ミニマグ・オリオンなどがある。生存可能な電力を最大化するための外部核パルス推進の原理は、外部電力ビームを使用しない恒星間飛行や非常に高性能な惑星間飛行の真剣な概念の間では一般的であり続けている。

1970年代には、核パルス推進の概念は、外部から誘発される慣性閉じ込め核融合の使用によってダイダロス計画によってさらに洗練され、この場合には、核融合燃料ペレットを高出力電子ビームで圧縮することによって核融合爆発を発生させる。それ以来、レーザー、イオンビーム、中性粒子ビーム、超運動エネルギー弾が、推進目的で核パルスを生成するために提案されてきた。^[44]

核爆発を動力とする宇宙船の開発に対する現在の障害は、1963年の部分的核実験禁止条約である。この条約には、宇宙空間でのあらゆる核装置（非兵器ベースも含む）の爆発の禁止が含まれている。したがって、この条約は再交渉する必要があるが、現在予測可能な技術を使用した恒星間ミッション規模のプロジェクトには、少なくとも国際宇宙ステーション規模の国際協力が必要になるだろう。

考慮すべきもう一つの問題は、急速に加速する宇宙船、貨物、および内部の乗客に与えられる 重力加速度です(慣性の否定を参照)。

核融合反応で動く核融合ロケット宇宙船は、エネルギーだけを考えれば、おそらく光速の 10% 程度の速度に到達できるはずだ。理論上は、多数のステージで宇宙船を光速に任意に近づけることができる。^{[45]これらは、重水素、三重水素、 3} He、¹¹ B、⁷ Liなどの軽元素燃料を「燃焼」する。核融合は、核燃料の質量の約 0.3～0.9% をエネルギーとして放出するため、燃料の質量エネルギーの 0.1% 未満しか放出しない核分裂よりもエネルギー的に有利である。エネルギー的に利用可能な最大排気速度は、核分裂の場合よりもそれに応じて高く、通常は光速の 4～10% である。しかし、最も簡単に達成できる核融合反応では、エネルギーの大部分が高エネルギー中性子として放出され、これがエネルギー損失の大きな原因となる。したがって、これらの概念は、（長い）人間の生涯内に最も近い恒星への旅行の最良の（短期的な）見通しを提供するように見えますが、それでもまだ、数十年または数世紀にわたって解決不可能となる可能性のある、膨大な技術的および工学的困難を伴います。

初期の研究には、 1973年から1978年にかけて英国惑星協会が実施したダイダロス計画や、1988年に完了したNASAと米国海軍兵学校が後援した学生プロジェクトであるロングショット計画などがある。NASAのグレン研究センターのチームによって説明された、もう1つのかなり詳細な乗り物システム「ディスカバリーII」 ^[46]は、有人太陽系探査用に設計および最適化されており、D ³ He反応に基づいているが反応物質として水素を使用している。この宇宙船は、約1700トンの初期船体質量と10%を超えるペイロード率で、約1.7•10 ⁻³ gの加速度で300 km/sを超える特性速度を達成する。これらはまだ人間の時間スケールでの恒星間旅行の要件には程遠いが、この研究は数十年以内に達成可能になる可能性のあるものに対する妥当なベンチマークを示しているようであり、現在の最先端技術を超えて不可能というわけではない。このコンセプトの 2.2% の燃焼率に基づくと、純粋な核融合生成物の排気速度は約 3,000 km/s に達する可能性があります。

反物質ロケットは、提案されている他のどのロケットよりもはるかに高いエネルギー密度と比推力を持つだろう。 [ ^31]反物質を必要な量製造し、安全に保管するためのエネルギー資源と効率的な製造方法が見つかれば、 ^{[47] [48]}理論的には光速の数十パーセントの速度に達することができるだろう。^[31]反物質推進によって、相対論的な時間の遅れがより顕著になり、外部の観測者から見て宇宙飛行士の時間が遅くなるほどの高速（光速の90%以上）を実現できるかどうかは、必要となる反物質の量が多すぎるため疑わしい。^{[31] [49]}

反物質の製造と貯蔵が実現可能になると仮定すると、さらに2つの問題を考慮する必要がある。第一に、反物質の消滅では、エネルギーの多くが高エネルギーガンマ線、特にニュートリノとして失われるため、反物質が単に熱的に消滅して放射線になった場合、実際に利用できるmc ^{2は約40％に過ぎない。 [31]}それでも、推進に利用できるエネルギーは、次善のライバル候補である核融合の mc ²の約1％の収量よりも大幅に高いだろう。

第二に、排気ガスから車両への熱伝達は、ガンマ線の透過に使われるエネルギーの大部分を考慮すると、膨大なエネルギーを船に無駄に伝達する可能性が高いと思われます (たとえば、船の加速度が 0.1 gの場合、船の質量 1 トンあたり 0.3 兆ワットに近づきます)。ペイロード (および有人車両の乗客) を保護するためにシールドが装備されていると仮定しても、エネルギーの一部は必然的に車両を加熱するため、有効な加速を達成するには制限要因になる可能性があります。

さらに最近では、フリードヴァルト・ウィンターベルクは、相対論的陽子-反陽子ピンチ放電によって物質-反物質のGeVガンマ線レーザー光子ロケットが可能になると提案した。このときレーザービームからの反動はメスバウアー効果によって宇宙船に伝達される。 ^[50]

レーザーなどの外部ソースから動力を得るロケットは、内部エネルギー源をエネルギーコレクターに置き換えることができ、宇宙船の質量を大幅に減らし、はるかに高速な移動を可能にする可能性がある。ジェフリー・A・ランディスは、基地局レーザーからビームされたエネルギーで駆動するイオンスラスタで推進する星間探査機を提案した。 ^{[51]レナードとアンドリュースは、基地局レーザーを使用して核燃料ペレットを}ミニマグオリオン宇宙船に向けて加速し、推進のために点火することを提案した。 ^[52]

従来のロケット推進方法の問題点は、宇宙船が燃料を運ぶ必要があり、ロケット方程式によれば非常に重くなることである。この問題を回避するためにいくつかの概念が試みられている。^{[31] [53]}

無線周波数（RF）共鳴空洞スラスタは、宇宙船のスラスタであると主張されている装置である。2016年、NASAの先進推進物理学研究所は、そのようなテストの1つで小さな見かけの推力を観測したと報告したが、その結果はそれ以来再現されていない。^[54]設計の1つはEMDriveと呼ばれる。2002年12月、Satellite Propulsion Research Ltdは、850Wの空洞マグネトロンで駆動され、総推力が約0.02ニュートンであると言われる実用的なプロトタイプについて説明した。この装置は、マグネトロンが過熱のために故障するまで、わずか数十秒しか動作できなかった。^[55] EMDriveの最新のテストでは、動作しないという結論が出ている。^[56]

2019年にNASAの科学者デビッド・バーンズ博士によって提案されたヘリカルエンジンのコンセプトは、粒子加速器を使用して粒子を光速近くまで加速するというものである。このような速度で移動する粒子は質量が増加するため、この質量変化が加速を生み出す可能性があると考えられている。バーンズによると、宇宙船は理論的には光速の99％に達することができるという。^[57]

1960年、ロバート・W・バサードはバサード・ラムジェットを提唱した。これは巨大なスクープが星間空間に拡散した水素を集め、陽子-陽子連鎖反応を使って飛行中にそれを「燃やし」 、後ろから排出する核融合ロケットである。後の計算ではより正確な推定値を用いて、発生する推力は考えられるあらゆるスクープの設計によって生じる抗力よりも小さいことが示唆されている。^{[要出典]しかし、このアイデアは魅力的である。なぜなら、燃料は}途中で集められるため（エネルギー収穫の概念に見合う）、宇宙船は理論的には光速近くまで加速できるからである。この制限は、反応によって推進剤を0.12cまでしか加速できないという事実による。したがって、速度が0.12cのとき、星間塵を捕らえる抗力と、同じ塵を0.12cまで加速する推力は同じになり、それ以上の加速は妨げられる。

母星系にある巨大なレーザーや粒子加速器で駆動する光帆や磁気帆は、ロケットやパルス推進方式よりもさらに高速化できる可能性がある。これは、独自の反応質量を運ぶ必要がなく、宇宙船のペイロードを加速するだけでよいためである。ロバート・L・フォワードは、目的の星系にレーザーアレイを設置することなく、100キロメートルの光帆を備えた恒星間宇宙船を減速させる手段を提案した。この方式では、30キロメートルの二次帆を宇宙船の後部に展開し、大きな一次帆を宇宙船から切り離して単独で前進を続ける。光は大きな一次帆から二次帆に反射され、二次帆と宇宙船のペイロードを減速させるのに用いられる。^[58] 2002年、NASAのグレン研究センターのジェフリー・A・ランディスも、太陽エネルギーを利用して駆動するダイヤモンドセイル（厚さ数ナノメートル）を搭載したレーザー駆動の推進帆船を提案した。^[59]この提案では、この恒星間船は理論的には光速の10パーセントに達することができる。また、ビーム駆動推進を使用して宇宙船を加速し、電磁推進を使用して減速することも提案されており、これにより、ブサードラムジェットが加速中に生じる抗力の問題を解消できる。^[60]

磁気帆は、目的地の恒星の太陽風や星間物質に含まれるプラズマと相互作用することで、搭載燃料や目的地システムの駆動ビームに依存せずに目的地で減速することもできる。^{[61] [62]}

次の表は物理学者ロバート・L・フォワードが提案したビームレーザー推進を用いた概念の例を示している。^[63]

以下の表はヘラー、ヒップケ、ケルベラの研究に基づいています。^[64]

• α Cen A と B での連続的なアシストにより、両方の恒星への移動時間は 75 年になる可能性があります。
• ライトセイルの公称質量対表面積比（σ _nom）は、公称グラフェンクラスのセイルとしては8.6×10 ⁻⁴グラム m ^{−2です。}
• ライトセイルの面積は約10 ⁵ m ² = (316 m) ²
• 速度最大37,300 km s ⁻¹（12.5% c）

人間の寿命よりも短い始動停止の恒星間旅行時間を達成するには、より近い恒星であっても、1,000から1,000,000の質量比が必要です。これは、大規模な多段式車両によって達成できます。^[45]あるいは、大型線形加速器で燃料を核分裂推進宇宙船に送り込み、ロケット方程式の制限を回避することもできます。^[65]

星間空間を移動する方法としてダイナミックソアリングが提案されている。^{[66] [67]}

アップロードされた人間の心やAIは、レーザー信号や無線信号で光速で送信できる。^[68]これには、送信先に受信機が必要であり、まずは人間、探査機、自己複製機械（AIやアップロードされた人間と一緒になる可能性もある）、またはエイリアン文明（別の銀河にある可能性もあり、おそらくカルダシェフIII型文明） などによって設置される必要がある。

恒星間航行を可能にする理論的なアイデアは、人工のブラックホールを作り、放物面反射鏡を使ってホーキング放射を反射することで宇宙船を推進するというものである。現在の技術的能力を超えているが、ブラックホール宇宙船は他の可能な方法に比べていくつかの利点がある。ブラックホールを動力源とエンジンとして機能させるには、ホーキング放射をエネルギーと推力に変換する方法も必要である。考えられる方法の1つは、宇宙船に取り付けられた放物面反射鏡の焦点に穴を置き、前方への推力を作り出すことである。少し簡単だが効率の悪い方法は、宇宙船の前部に向かうガンマ線をすべて吸収して宇宙船を前進させ、残りを後部から発射するというものである。^{[69] [70] [71]}

科学者や著者は、光速を超えることが可能であるかもしれないいくつかの方法を仮定してきましたが、最も真剣な考えを持つ人々でさえ、それは非常に推測的なものでした。^[72]

光速を超える移動が物理的に可能かどうかも議論の余地があり、その理由の一部は因果関係の問題である。光速を超える移動は、特定の条件下では、特殊相対性理論の範囲内で時間を遡る移動を可能にする可能性がある。^{[73]一般相対性理論の範囲内で}光速を超える移動のメカニズムとして提案されているのは、エキゾチック物質の存在であり^[72]、エキゾチック物質が十分な量生成できるかどうかは分かっていない。

物理学において、アルクビエレ・ドライブは、一般相対性理論の枠組みの中で、ワームホールを導入することなく、宇宙船の後ろの時空の局所的な膨張と、その前の反対の収縮によって、宇宙船が任意の速度で移動できるように時空を変更できるという議論に基づいています。^{[74]ただし、この概念では、宇宙船に}エキゾチック物質の領域、または負の質量という仮説上の概念を組み込む必要があります。^[74]

ワームホールは、理論家がアインシュタイン・ローゼン橋を介して宇宙の任意の2点を結ぶことができると仮定する時空の推測上の歪みである。ワームホールが実際に可能かどうかはわかっていない。一般相対性理論のアインシュタイン方程式にはワームホールを許容する解法があるものの、現在知られている解法はすべて、負の質量の存在など、非物理的である可能性のある何らかの仮定を含んでいる。^[75]しかし、クレイマーらは、そのようなワームホールは宇宙初期に作られ、宇宙ひもによって安定化された可能性があると主張している。^[76]ワームホールの一般理論は、ヴィッサーの著書「ロレンツのワームホール」で議論されている。^[77]

ハイペリオン計画は、有人恒星間旅行の実現可能性に関するさまざまな問題を検討してきた。^{[78] [79] [80]} この計画の注目すべき成果には、世界の船舶システムアーキテクチャと適切な人口規模の評価が含まれる。^{[81] [82] [83] [84]そのメンバーは、}恒星間研究イニシアチブと協力して、有人恒星間旅行に関する論文を発表し続けている。^[24]

1973年10月号のAnalogでG・ハリー・スタインが詳述したエンツマン宇宙船は、ロバート・ダンカン・エンツマンのアイデアに基づいた将来の宇宙船の設計でした。提案された宇宙船自体は、12,000,000トンの凍結した重水素の球を使用して、12〜24の熱核パルス推進ユニットに電力を供給しました。軌道上で組み立てられた宇宙船は、エンパイアステートビルの高さの2倍あり、星間探査機と目標の恒星系の望遠鏡による観測に先立つより大規模なプロジェクトの一部でした。 ^[85]

NASA は設立当初から恒星間旅行の研究を行っており、重要な外国語論文を翻訳し、1960 年代には核融合推進を、1970 年代にはレーザー推進を恒星間旅行に適用する初期の研究を行ってきました。

1994年、NASAとJPLは「光より速い（FTL）問題について考えるための新しい基準を確立し、それを使用する」ために「先進的な量子/相対性理論推進に関するワークショップ」を共催した。^[86]

NASAの ブレークスルー推進物理学プログラム（6年間、120万ドルの研究の後、「ブレークスルーが差し迫っているようには見えない」という理由で2003年度に終了）^[87]は、恒星間旅行を可能にするために必要ないくつかのブレークスルーを特定しました。^[88]

NASAグレン研究センターのジェフリー A. ランディスは、レーザー動力の恒星間帆船が、宇宙旅行の新しい方法を使用して、50 年以内に打ち上げられる可能性があると述べています。「最終的には、いつ誰がそれをするかという問題だけだと思います」とランディスはインタビューで述べています。ロケットは、人間を恒星間ミッションに送るには遅すぎます。代わりに、彼は、レーザー光によって光速の約 10 分の 1 の速度で推進される、大きな帆を備えた恒星間船を思い描いています。そのような船がアルファ ケンタウリ系を止まることなく通過した場合、到達するのに約 43 年かかります。アルファ ケンタウリで停止するために減速すると、旅は 100 年に延びる可能性がありますが、^[89]減速せずに旅すると、フライバイ中に十分に正確で有用な観測と測定を行うという問題が生じます。

100 年宇宙船( 100YSS) 研究は、100 年宇宙船のビジョンを推進できる組織の特性を評価し、その基盤を築くための 1 年間のプロジェクトの名前です。100YSS 関連のシンポジウムは 2011 年から 2015 年にかけて開催されました。

NASAジョンソン宇宙センターのハロルド（「ソニー」）ホワイト^[90]は、 2100年までに恒星間飛行を実現することを使命とする非営利団体イカロス・インターステラー^{[91]のメンバーです。2012年の100YSS会議で、彼は}レーザーを使用して時空を1000万分の1に歪ませ、恒星間旅行を可能にすることを目的としたと報告しました。^[92]

• オリオン計画、有人恒星間宇宙船（1958年 - 1968年）。
• ダイダロス計画、無人恒星間探査機（1973年～1978年）。
• 無人恒星間探査機スターウィスプ（1985年）。^[93]
• ロングショット計画、無人恒星間探査機（1987年～1988年）。
• スターシード/ランチャー、無人恒星間探査機の艦隊（1996年）。
• ヴァルキリー計画、有人恒星間宇宙船（2009年）。
• 無人恒星間探査機「イカロス計画」 （2009年～2014年）。
• サンダイバー、無人恒星間探査機。^[94]
• プロジェクト・ドラゴンフライ、小型レーザー推進星間探査機（2013～2015年）。
• 2016年4月12日に発表された無人恒星間探査機の艦隊、ブレークスルー・スターショット。 ^{[95] [96] [97]}
• ソーラーワン、ビーム駆動推進、電磁推進、核推進を組み合わせた有人宇宙船（2020年）。^[98]

恒星間推進の研究と推進活動に取り組んでいる組織が世界中にいくつかあります。これらはまだ初期段階ですが、すでにさまざまな科学者、学生、専門家の会員によって支えられています。

• 恒星間研究イニシアチブ（英国）^[99]
• タウゼロ財団（米国）^[100]
• リミットレス・スペース・インスティテュート（アメリカ）^[101]
• テネシーバレー星間ワークショップ（TVIW）、商号星間研究グループ（IRG）（米国）^[102]

エネルギー要件により恒星間旅行は非常に困難です。2008年の合同推進会議では、複数の専門家が、人類が太陽系外を探索することはあり得ないという意見を述べたと報告されています。^[103]レンセラー工科大学工学部准教授のブライス・N・カセンティは、最も近い恒星に探査機を送るには、少なくとも全世界の総エネルギー出力の100倍（特定の年）が必要であると述べました。^[103]

天体物理学者のステン・オーデンワルドは、基本的な問題は、発見された何千もの太陽系外惑星を徹底的に研究した結果、50光年以内の最も近い目的地のほとんどで、恒星の居住可能領域内に地球のような惑星が見つからないことだと述べた。^[104]提案されている技術のいくつかには数兆ドルの費用がかかることから、旅行者は最もよく知られている目的地に到達するために、光速の20％の速度で最大200年かけて移動する必要がある。さらに、旅行者が（どんな手段を使っても）目的地に到着しても、大気が非致死的でない限り、目標の世界の地表まで降りてコロニーを設立することはできない。そのような旅をして、残りのコロニーの寿命を密閉された居住区内で過ごし、宇宙服を着て外に出るという見通しは、多くの潜在的なターゲットをリストから除外する可能性がある。

光速に近い速度で移動し、砂粒のような小さな静止物体に遭遇しただけでも、致命的な結果をもたらします。たとえば、光速の 90% で移動する 1 グラムの物質には、小型の核爆弾 (約 30 kt TNT) に相当する運動エネルギーが含まれています。

大きな障害の一つは、地球上で利用可能なすべての資源にアクセスできない状態で、他のすべての考慮事項が解決されていると仮定した場合、このような長時間の旅に十分な機内スペアパーツと修理設備を備えているかどうかである。^[105]

ブレークスルー・スターショット計画によって計画されているアルファ・ケンタウリへの高速探査ミッションは、21世紀中に実現可能と予測されている。^[106]あるいは、到着までに数千年かかる無人の低速巡航ミッションを計画することもできる。これらの探査機は、その時に返送された科学データに興味を持つ人が地球上にいるかどうかは予測できないという意味で、人類の利益にはならない。一例としては、ジェネシス・ミッションがある。^{[107]このミッションは、}指向性パンスペルミアの精神にのっとり、単細胞生命を居住可能だがそれ以外は不毛な惑星にもたらすことを目指している。^[108]比較的低速のジェネシス探査機は、通常 の速度で約 に相当し、磁気帆を使って減速することができる。したがって、人類の利益を目的としない無人ミッションは実現可能だろう。^[109]${\displaystyle c/300}$${\displaystyle 1000\,{\mbox{km/s}}}$

2016年8月24日、地球サイズの太陽系外惑星プロキシマ・ケンタウリbが、4.2光年離れたプロキシマ・ケンタウリのハビタブルゾーンを周回していることが発表されました。これは太陽系外で 最も近い、居住可能な可能性のある太陽系外惑星として知られています。

2017年2月、NASAはスピッツァー宇宙望遠鏡が太陽系から40光年離れた超低温矮星を周回するTRAPPIST-1系に地球サイズの惑星を7つ発見したと発表した。 ^[110]これらの惑星のうち3つは、岩石惑星に液体の水が存在する可能性が最も高い親星の周囲の領域であるハビタブルゾーンにしっかりと位置している。この発見は、太陽系外の単一の恒星の周囲に見つかったハビタブルゾーン惑星の最大数の新記録を樹立した。これら7つの惑星はすべて、適切な大気条件下であれば、私たちが知る生命の鍵となる液体の水を持つ可能性があるが、その可能性が最も高いのは、3つがハビタブルゾーン内にある場合である。

• 宇宙飛行のレベル:弾道飛行、軌道飛行、惑星間飛行、星間飛行、銀河間飛行
• 宇宙飛行が人体に与える影響 – 宇宙飛行に関連する医学的問題
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• SFにおける宇宙旅行
• アップロードされた宇宙飛行士 – 脳をデジタルでエミュレートする仮説的なプロセスリダイレクト先の簡単な説明を表示するページ

• クロフォード、イアン A. (1990)。「星間旅行: 天文学者のためのレビュー」。王立天文学会季刊誌。31 : 377– 400。書誌コード:1990QJRAS..31..377C。
• Hein, AM (2012 年 9 月) 。「今後 100 ～ 300 年間の技術的、社会的、政治的予測の評価と恒星間ミッションへの影響」。英国惑星協会誌。33 (9/10): 330 ～ 340。Bibcode :2012JBIS...65..330H。
• ロング、ケルビン（2012）。『深宇宙推進：恒星間飛行へのロードマップ』。シュプリンガー。doi ： 10.1007/ 978-1-4614-0607-5。ISBN 978-1-4614-0606-8。
• マロブ、ユージン (1989)。『スターフライトハンドブック』。ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社、ISBN 978-0-471-61912-3。
• Odenwald, Sten (2015)。『星間旅行: 天文学者のためのガイド』。CreateSpace 独立出版プラットフォーム。ISBN 978-1-5120-5627-3。
• ウッドワード、ジェームズ（2013）。『宇宙船とスターゲートの製作：恒星間輸送と驚くほど無害なワームホールの科学』。シュプリンガー。ISBN 978-1-4614-5622-3。
• ロバート・ズブリン（1999年）『宇宙への進出：宇宙文明の創造』ターチャー/パトナム。ISBN 978-1-58542-036-0。

• レナード・デイビッド – 星間飛行への挑戦 (2003) – MSNBC (MSNBC ウェブページ)
• NASA ブレークスルー推進物理学プログラム (NASA ウェブページ)
• 星間飛行の参考文献（出典リスト）
• DARPA が恒星間宇宙船の実現に協力を要請 2014-03-04 にWayback Machineでアーカイブ
• 宇宙船の作り方と、なぜ今から考え始めるべきなのか（The Conversation、2016年の記事）