Direct Exoplanet Investigation using Interstellar Space Probes
探索我们自己的太阳系的经验表明，使用空间探测器对行星体进行直接调查，必然会产生以其他方式无法获得的科学知识。在系外行星的情况下，可能需要这种直接的调查来确认天文观测的推论，特别是关于行星内部，表面过程，地质演化和可能的生物学。这将需要运输复杂的科学仪器穿越星际空间，并提出了一些方法来实现这一点，在几十年来测量的飞行时间进行审查。得出的结论是，可能除了用强大的地球激光器将速度加速到~ 0.1 c的非常轻（因此在科学上有限）的探测器之外，可能必须等到能够利用太阳系的物质和能源的天基文明发展起来之后，才能实现这种能力。
2017-07-08 astro-ph.EP astro-ph.IM
Interstellar communication. I. Maximized data rate for lightweight space-probes
最近的技术进步可以使星际旅行成为可能，使用由激光或太阳光子压力推动的超轻帆，速度只有光速的百分之几。从这样的探测器获得远程观测数据并不是微不足道的，因为它们的仪器最少（克级）和距离很远（pc）。我们推导出最佳的通信方案，以最大限度地提高远程探头和家庭基地之间的数据速率。该框架要求日冕照相抑制恒星背景在$10^{-9}$的水平在几十角秒的明亮的恒星。我们的工作包括衍射，技术限制，星际消光和大气传输的光子损失的模型。主要噪声源是大气、黄道、恒星和仪器噪声。我们使用“Holevo界”来检查最大容量，该“Holevo界”给出了可以通过量子态（光子）编码的信息量（比特）的上限，对于乐观的信号和噪声水平，该上限是每个光子几个比特。这允许从一个大小为1米、距离为$α\,$ Centauri（1.3 pc）的发射机到一个地球上的大型接收望远镜（E-ELT，39米）的数据速率达到每秒每瓦比特的数量级。这个距离的最佳波长是300 nm（天基接收器）到400 nm（地基），并随着距离的增加而增加，由于消光，在8 kpc时到星系中心的最大值为$\approx3\,μ$ m。
2017-11-15 astro-ph.EP astro-ph.IM
Interstellar communication. XI. Short pulse duration limits of optical SETI
以前和正在进行的对地外光学和红外纳秒激光脉冲和窄线宽连续发射的搜索迄今为止都没有结果。在常用的观测节奏$\sim 10^{-9}\,$ s，天空集成星光是一个相关的噪声源大视场调查。这可以通过窄带宽滤波器、多像素探测器或更短的观察节奏来减少。我们研究了由不确定原理、星际散射、大气闪烁、折射、色散和接收机技术所设定的短脉冲的极限。我们发现最佳的激光脉冲是时间带宽有限的高斯脉冲，其持续时间为$Δt \approx\,10^{-12}\,$ s，波长为$λ_{0}\approx1\,μ$ m，光谱宽度为$Δλ\approx 1.5\,$ nm。较短的脉冲在地球大气层中受到的影响太大。鉴于某些技术进步，当从ns脉冲移动到ps脉冲时，测量速度可以增加三个数量级。更快的（和/或并行的）信号处理将允许对针对地球的激光进行全天一次的调查。
2018-04-04 astro-ph.IM
Interstellar flyby scientific data downlink design
本文回顾星际飞越探测器科学数据下行链路设计，考虑弹道式飞行、PPM与ECC光通信、大接收面积及指向精度，并以比邻星任务为例给出数值示例。
2023-06-23 astro-ph.IM
Project Icarus: Preliminary Thoughts on the Selection of Probes and Instruments for an Icarus-style Interstellar Mission
在本文中，我们概述了探测器和科学仪器的范围，将需要为了伊卡洛斯履行其科学使命，探索附近的恒星，其伴随的行星系统，和干预星际介质。根据这一初步分析，我们估计，伊卡洛斯号的最低科学有效载荷质量（即必须减速后停在目标系统中以便能够进行有意义的科学调查方案的探测器和仪器的质量）将在100吨左右。其中，约10吨将分配给巡航阶段的科学仪器，约35吨（即28吨和41吨的估计下限和上限的平均值）将由系统内科学有效载荷本身（即恒星和行星探测器及其仪器的干质量）提供。剩余的约55吨用于满足子探测器系统内的推进要求（根据目前的太阳系飞行任务粗略估计;需要对子探测器推进系统进行详细建模以完善这一数字）。然而，科学有效载荷的总质量将大大超过100吨，因为必须考虑到支持、部署科学探测器和仪器并与之通信所需的有效载荷结构和基础设施元件。根据早期的代达罗斯研究，我们估计另一个因素为2，以考虑这些组件。因此，在更详细的研究得出结果之前，似乎需要约200吨的总体科学相关有效载荷质量。本文是伊卡洛斯项目研究小组的一份报告。
2016-06-04 astro-ph.EP astro-ph.IM
Engineering an Interstellar Communications Network by Deploying Relay Probes
我们开发了一个星际通信网络，它是由中继节点，传输衍射限制光束的光子模型。我们提供了一个多维度的理由，这样一个网络的通信，而不是星际信标。我们推导出基于基础物理的通信比特率的理论表达式，受光子可用能量和由平方反比定律稀释信息的光束衍射的约束。我们发现，米级探针的比特率受到严重限制，在1 Gbps以下，超过光年的距离。然而，该比特率与传输和接收光子的光学器件的大小的4次方成正比，与它们之间的距离的平方成反比，因此有利于大光学器件和节点之间的短间隔。星际通信的优化架构由一个节点网络组成，这些节点之间的距离为亚光年，并在相邻的恒星之间延伸。
2022-04-27 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.IM
Interstellar communication. IV. Benchmarking information carriers
自20世纪50年代以来，对地外通信的探索主要集中在微波光子上。我们将其他高速信息载体比作光子，如电子、质子和中微子，引力波，铭刻物质和人造巨型结构，如掩星器。性能卡包括交换速度、单位能量信息和机器尺寸、透镜性能、成本和复杂性。在快速点对点通信中，光子比其他载体优越几个数量级。发送带有铭刻物质的探测器需要更少的能量，但具有更高的延迟。对于低数据速率的各向同性信标，我们目前的技术水平不足以确定最佳选择。我们讨论的情况下，我们的初始假设不适用，并描述所需的属性的假设粒子赢得光子。
2018-05-18 astro-ph.EP astro-ph.IM
Broadband Searches for Extraterrestrial Technological Intelligence: a New Strategy To Find Nearby Alien Civilizations
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）
本文提出一种改进的外星技术智能搜索方法，基于天文观测策略，以提高发现附近外星文明的可能性。
2026-04-29 astro-ph.IM physics.pop-ph
Optimal mass and speed for interstellar flyby with directed-energy propulsion
讨论了利用定向能发射的探测器飞越邻近恒星系统的任务方案设计问题。多个探测器通过固定的发射基础设施发射，科学数据在目标相遇和数据收集之后下载。假设的主要目标是可靠地恢复收集的科学数据与较小的数据延迟（从发射到完成恢复的数据经过的时间）的更大的体积，它表明，有一个有效的边界，体积不能增加一个给定的延迟和延迟不能减少一个给定的体积。对于每次探头发射，通过增加探头质量来实现沿该边界的体积增加，这导致探头速度降低。因此，选择最高可行的探测速度通常不会实现容量和延迟的有效折衷。沿着这个边界，完成数据下载所行进的总距离没有显著变化，这意味着下载持续时间大约是发射到目标的渡越时间的固定部分。由于当探测器质量增加时，推进持续时间更长，增加的数据量会导致总发射能量消耗的成本，但具有有利的规模经济。任何探针技术的一个重要特征是将探针质量与传输数据速率相关联的标度律，因为这影响有效前沿的细节。
2022-06-27 astro-ph.IM physics.space-ph
Apparent Faster-Than-Light Pulse Propagation in Interstellar Space: A new probe of the Interstellar Medium
射电望远镜发射出有规律的射电辐射，通过星际介质（ISM），即恒星之间的稀薄气体和等离子体传播。ISM的先前已知的色散特性导致低频脉冲相对于高频脉冲在时间上延迟。这种效应可以用介质中存在的自由电子来解释。ISM还含有中性氢，其在1420.4MHz处具有众所周知的共振。电磁理论预测，在这样的共振下，诱导的色散效应将与自由电子的色散效应截然不同。穿过中性氢云的脉冲应该经历“反常色散”，这导致介质的群速度大于真空中的光速。这种超光速的群速度使得包含接近共振频率的脉冲相对于其他脉冲在时间上更早到达。因此，这些脉冲似乎比光传播得更快。这种现象是由脉冲中存在的时标和介质中存在的时标之间的相互作用引起的。虽然这是违反直觉的，但它并不违反狭义相对论的定律。在这里，我们提出了射电脉冲星PSR B1937+21的阿雷西博观测，显示出异常色散的明确证据。虽然这种效应在实验室物理学中是已知的，但这是第一次在天体物理学背景下直接观察到它，它有可能成为研究银河系中性氢性质的有用工具。
2010-01-15 astro-ph.GA astro-ph.IM
Project Icarus: A Review of Local Interstellar Medium Properties of Relevance for Space Missions to the Nearest Stars
我回顾这些属性的星际介质在15光年的太阳，这将是相关的规划未来快速（$v /ge 0.1c$）星际空间任务到最近的恒星。由于局部星际介质（LISM）的详细性质只有在星际探测器能够进行原位测量之后才能变得明显，因此第一个这样的探测器必须根据从太阳系的直接环境中可以了解到的关于LISM的信息进行保守的设计。因此，当考虑依靠将动量从飞行器传递到周围介质的制动装置时，星际飞行器的研究应该假设最低的合理密度，但当考虑飞行器与星际物质碰撞可能造成的损害时，应该假设最高的合理密度。对这些参数的取值提出了建议。本文是伊卡洛斯项目研究小组的一份报告。
2010-10-22 astro-ph.GA astro-ph.IM
Interstellar communication network. I. Overview and assumptions
最近，本福德（2019）在这本杂志中提出，星际探索探测器形式的“潜伏者”可能存在于太阳系中。同样地，地外智慧生命可以向许多其他恒星系统发送长寿探测器，以报告科学和监视情况。如果探测器和行星与技术物种存在于我们银河系中的少数系统中，那么使用协调的通信方案是有益的。由于平方反比定律，长距离直接连接的数据速率会大幅下降。如果以优化的方式使用中继站（节点），则网络带宽可以增加几个数量级。这一系列论文的介绍使通信方案的假设变得明确。随后的论文将讨论技术方面，如发射机，中继器，波长和功率电平。总体目的是深入了解星际通信网络的物理特性，使我们能够描述节点和探测器的最可能的大小和位置。
2020-02-13 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
Synergies between interstellar dust and heliospheric science with an Interstellar Probe
本文论证搭载专用尘埃套件的 Interstellar Probe 可通过多任务、多视点协同测量星际尘埃，同时推进尘埃研究与动态日光层科学。
2023-08-21 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
Interstellar communication network. III. Locating deep space nodes
星际通信网络受益于放置在恒星引力透镜中的中继节点。信号增益为$10^{9}$级，具有最佳对准，允许在秒差距距离上以kW功率水平与米级探针进行千兆位连接。如果这样的网络存在，那么我们的太阳系中可能存在一个节点：它在哪里？通过对网络拓扑的一些假设，可以计算候选天空位置。视位置受到地球绕太阳轨道的视差运动和附近恒星自行引起的（缓慢）漂移的影响。利用盖亚天体测量学，可以以角秒的精度确定瞬时位置。这些潜在的节点位置可以在目标中观察到。
2021-04-19 astro-ph.IM
Graphene Sails with Phased Array Optical Drive - Towards More Practical Interstellar Probes
由辐射推动的航天器的主要优点是，动力源不包括在加速的质量中，使其成为达到相对论速度的首选技术。有两个主要的技术挑战。首先，为了获得显著的加速度，帆必须重量极轻，并且能够在高强度的入射光束和由此产生的高温下工作。其次，发射器必须通过直径达数公里的巨大孔径发射高功率光束，以便将辐射聚焦在帆上，从而实现高的最终速度。现有的帆的建议使用碳或铝膜，但铝受到低熔点的限制，并且两者都具有低机械强度，需要分布式有效载荷或复杂的索具。我们在这里提出了一种石墨烯帆，它提供了每单位重量的高吸收，高温操作和机械强度，以支持简单的索具到集中质量的有效载荷。对于发射器，现有的建议使用紧凑的高功率源，并使用大型（数百至数千公里）天基透镜聚焦能量。现有的光学驱动器方案还需要从外太阳系发射，具有严格的指向限制，并且需要对光束源进行困难的操纵。相反，我们提出了一个积极的菲涅尔透镜，允许较小的质量较小的光圈，更容易指向较少的限制，探测器发射从太阳系内部。由于其他原因，帆和发射机的技术已经在开发中。实际例子比迄今为止提出的例子体积小，质量也小，从1公斤有效载荷以10%的光速通过质量仅为国际空间站25倍的发射机发射，到一个更大的系统可以以50%的光速发射1 000公斤有效载荷。
2015-07-06 astro-ph.IM
Interstellar Probes: The Benefits to Astronomy & Astrophysics
天文学领域的长距离观测开启了我们对太阳系、银河系和更广阔宇宙的理解。在本文中，我们讨论的想法，直接在现场侦察附近的恒星系统，使用机器人探测器。特别是，我们考虑可以学到什么额外的知识，只能通过这种近距离接触获得。这可能包括现有测量的校准，恒星风的详细观测，恒星视差的天体测量，通过使用长基线干涉仪改进我们对物理学的理解。此外，接近系外行星将能够详细了解行星内部、表面过程、地质演化、大气成分和气候、内部地震学、详细的表面形态，甚至探测微生物生命、详细的古生物学甚至土著生命形式存在的推测可能性。我们认为，天文遥感应与机器人探测器的原位侦察任务并行进行，这样两者都可以提高对方的发现和性能。这项工作是为了支持Starshot项目，该项目旨在在未来20年内向另一颗0.2c的恒星发送一个克级探测器，并将图像和其他数据返回地球。在第47届国际宇航科学院未来空间天文学和太阳系科学飞行任务专题讨论会上发表。空间机构战略和计划会议。
2019-01-11 astro-ph.IM physics.pop-ph
Analytical Scaling of Relativistic Drag in the Interstellar Medium
本文通过分析框架研究高速运动宏观球形探测器在星际介质中的阻力，揭示了相对论惯性与热负荷之间的矛盾，指出热力学问题而非动能问题主导，推导了辐射主导区域的临界条件。
2026-03-27 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.IM
Solar System Technosignatures
NASA（美国国家航空航天局）
本文利用行星探测和天文巡天数据，评估了太阳系中可能存在的技术印记（如星际探测器或表面遗迹）的探测极限，发现目前仅能给出极粗略的上限，且某些大型探测器或遗迹可能未被发现。
2026-06-15 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.pop-ph
On Interstellar Quantum Communication and the Fermi Paradox
本文首次分析星际量子信道容量，给出实现非零容量所需的波长与望远镜直径阈值，并据此提出费米悖论的新解释。
2024-08-05 astro-ph.IM quant-ph
The Search for Deliberate Interstellar SETI Signals May Be Futile
本文指出从外星文明视角看，传统的恒星电磁信号搜寻策略存在多重挑战，提出外星人更可能通过物理AI机器人探测器组成的星际通信节点网络来建立联系，从而解决星际信号传输问题。
2023-07-26 astro-ph.IM physics.pop-ph
The optimisation of low-acceleration interstellar relativistic rocket trajectories using genetic algorithms
关于火箭轨道优化这一主题，存在着大量的文献，特别是在行星际轨道领域，因为它与当今的相关性。关于优化星际和星系间轨道的研究通常是在平坦时空中使用分析方法进行的，很少关注在广义相对论框架中优化星际轨道。本文探讨了使用低加速度火箭在尽可能短的时间内到达银河系的目的地，遗传算法被用于优化过程。计算了各种推进系统每次飞行所需的燃料，以确定低加速火箭殖民银河系的可行性。结果表明，为了限制船上携带的燃料量，反物质推进系统可能是到达数万光年外恒星系统的最低技术要求。然而，使用低加速火箭需要数十万年才能到达这些恒星系统，由于最大速度仅达到约0.2c，因此时间膨胀效应最小。这样的运输时间显然是不切实际的，因此，任何使用低加速度火箭的殖民都是困难的。在合理的时间范围内完成星际旅行可能需要大约1g的高加速度，尽管它们可能需要大量的燃料。因此，就目前而言，人类建立银河帝国的最终目标似乎只有在更高的加速度下才有可能实现，尽管使用实际燃料量的旅程的推进技术要求仍有待确定。
2017-01-28 astro-ph.GA astro-ph.IM physics.space-ph
Interstellar Communication: The Case for Spread Spectrum
在现代数字无线地面无线电系统中广泛使用的扩频选择具有类噪声特性和比所需带宽高得多的带宽的信号。本文主张扩频调制星际通信，出于强大的免疫力，在接收器附近的技术起源的射频干扰（RFI），同时保留在存在自然噪声源的充分检测灵敏度。接收机抗扰度设计本身不提供选择具有任何特定特征的信号的基础，因此无法减少模糊性。通过将RFI作为设计目标添加到抗噪性，信号的选择（由发射机）与抗噪性的最佳检测（在接收机中）的结合通过简单的概率论证导致信号应该具有白噪声突发的统计特性并且还具有大的时间带宽积的结论。因此，通过减少关于信号特征的模糊性，扩频还提供了发射机和接收机之间的隐含协调。该策略要求接收机猜测特定的类噪声信号，并且有人认为，如果在算法上生成适当的伪随机信号，则这是可行的。例如，概念上简单的算法，如二进制扩展的共同无理数，如Pi被证明是合适的。由于其有意加宽的带宽，扩频在通过星际介质的传播中更容易受到色散和失真的影响，期望减少带宽和载波频率等参数的模糊性。这表明了利用扩频调制技术进行星际通信的一个有希望的新方向。
2011-12-02 astro-ph.IM cs.IT math.IT
Swarming Proxima Centauri: Optical Communication Over Interstellar Distances
针对星际通信难题，提出克级探测器蜂群方案，通过发射速度调控与星际介质阻力实现编队，结合β伏特能源与航天级时钟同步，可提升数据回传速率并降低任务风险。
2023-12-12 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.pop-ph
Gamma rays as probes of cosmic-ray propagation and interactions in galaxies
由宇宙射线与星际物质和辐射场相互作用产生的连续γ射线辐射是研究星系中非热粒子布居的一个重要手段。经过几十年来实验技术的不断改进以及天空和能量覆盖范围的不断扩大，伽马射线观测以前所未有的细节揭示了银河系宇宙射线的性质。我们现在可以接触到各种尺度和环境，从太阳附近的本地星际介质和宇宙射线加速器附近，到银河系以及更远的地方，越来越多的伽马射线发射恒星形成星系。伽马射线观测一直在推进我们对星系中宇宙射线生命周期的理解，与相关领域的进展相结合，它们一直在挑战该领域的标准假设，并刺激了建模方法和数据分析方法的新发展。我们提供了一个审查的主题的地位，并讨论未来的进展前景。
2021-04-30 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.IM
Is the Interstellar Object 3I/ATLAS Alien Technology?
Initiative for Interstellar Studies (i4is)（星际研究倡议）；Harvard University（哈佛大学）
本文分析星际天体 3I/ATLAS 的异常轨道特征，提出其可能是敌意外星科技，通过接近行星和隐蔽机动策略，暗示其意图拦截地球或木星。
2025-10-15 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.IM
End-to-end interstellar communication system design for power efficiency
星际距离的无线电通信进行了研究，占噪音，色散，散射和运动。大的发射功率建议最大化功率效率（信息速率与平均信号功率的比率），而不是限制带宽。可靠通信的基本限制是确定的，并且不受载波频率、色散、散射或运动的影响。可用效率仅受噪声限制，而可用信息速率受噪声和可用平均功率限制。一组五个设计原则（在我们自己的技术能力范围内）可以渐近地接近基本极限;没有其他文明可以达到更高的效率。带宽可以以避免引起色散或散射损害的方式扩展。由此产生的节能信号具有与当前SETI目标非常不同的特性，相对于信息速率具有较宽的带宽，并且在时间和频率上具有稀疏的能量分布。研究了在给定的接收机观测时间下，无信息信标达到最低平均功率的问题。它们不需要具有宽带宽，但是随着平均功率减小，它们确实在时间上更稀疏地分配能量。信标和信息承载信号的发现进行了分析，最相似的方法，已在光学SETI。不需要处理来考虑除噪声之外的损伤。建立了大量观测与较低平均功率（包括由于较低信息速率）之间的直接统计折衷。当前搜索中的“假警报”是这些信号的特征签名。联合搜索信标和信息承载信号需要对目前的SETI模式识别方法进行直接修改。
2013-07-28 astro-ph.IM cs.IT math.IT
Autonomous AI-Cosmoindustry and the Quiet Expansion Filter: A Threshold-Based Resolution of the Fermi Paradox
Independent researcher（独立研究者）
本文提出静默扩张过滤器假说：达到自主AI-宇宙工业阈值的文明不会出现在银河系能到达太阳系的区域，因为此后星际扩张变得过于廉价和理性，但扩张是机器中介、分布、低噪声且部分生物的，而非卡尔达肖夫式或帝国式。
2026-06-15 astro-ph.IM physics.pop-ph physics.soc-ph
