16、天体物理学与宇宙学中的物理可视化探索

天体物理学与宇宙学中的物理可视化探索

1. 太阳帆航行

太阳帆航行是科幻作品中的经典概念，它利用光的动量来推动航天器在太阳系甚至前往邻近恒星。光具有能量 (E) 和动量 (E/c)，当光从表面反射时会传递两倍的动量。

1.1 原理分析

• 向太阳的加速度 ：太阳帆（无有效载荷）的密度为 (\rho)，半径为 (r_s)，厚度为 (t)，向太阳的加速度 (a_s = GM(\rho\pi r_s^2 t)/r_0^2)，其中 (r_0) 是太阳帆展开时距太阳的初始半径。
• 远离太阳的加速度 ：由于太阳帆对太阳光的反射，远离太阳的加速度 (a_{light} = 2L_0/[4\pi c\rho t r_0^2])，其中 (L_0) 是太阳光度。

根据参数值，无论太阳帆半径如何，它要么落入太阳，要么以不断减小的加速度向外加速，因为太阳的引力和光反射的“斥力”都会随与太阳距离的增加而减小。通过改变参数可知，尽可能靠近太阳开始航行能获得最大的最终速度，但即使前往最近的恒星，这仍是一个漫长的旅程。

1.2 代码实现

% solar sailing using the momentum of light, U = pc
L0 = 3.9e26; % solar luminosity in Watts
au = 1.5e11; % 1 au in m
M0 = 1.9e30; % sun's mass in kg
r0 = 0.45; % dro