《流浪地球》里的那些超级科技:半人马座α星C,真的是我们流浪的终点?

黄琨

流浪地球

这两天,微博上有不少网友上传图片,称他们在春节假期返乡道路上发现,不少地方道路电子显示牌上的警告标语换成了“道路千万条,安全第一条,行车不规范,亲人两行泪”。这足以说明,这条豪不押韵、略显滑稽的标语出处——《流浪地球》,已经在某种程度上成为一部现象级电影。

这个“现象”,不仅仅指单部电影口碑飙升、票房大卖,3天逆袭成春节档冠军,也不仅仅指“中国第1部科幻电影”“开启中国科幻电影”元年,更是指由其引发的,中国人科学或科幻热情的燃起。

在百度指数上搜一搜,你会发现,从2月5日这天起,百度搜索“木星”“引力”“半人马座”“离子发动机”等关键词的搜索指数都增长了2-3倍。网上也多了不少讨论行星发动机是否可行、引力弹弓是什么、地球最终要流浪到哪里之类的话题。

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(关键词“木星”搜索指数)

在昨天的《行星发动机》篇中,小编给大家介绍了一下相关研究的现状,探讨过行星发动机的可能性。今天,咱们再来聊聊电影中少有笔墨涉及,但挺多人关注的问题:地球流浪的终点在哪里。

《流浪地球》的背景是太阳内核加速老化,急剧膨胀,从物理学上说,这点是合理的。太阳核心的氢元素在聚变燃烧后会转化成暂时无法聚变的氦元素,在中心形成致密的核。原来在核心发生的聚变反应,就转变为在致密核之外发生,使太阳失去原本的内部稳定性调节机制,能量开始增加,体积开始膨胀,颜色也开始发红,变成一颗“红巨星”。

等到红巨星积累了足够的能量,原本致密核中的氦元素就会产生聚变,而氦的聚变远比氢聚变来得剧烈。于是太阳在数秒的时间内爆发出巨大能量,出现原著中的“氦闪”,吞没整个太阳系,地球人不得不仓皇出逃。而且在原著中,当在地球逃离到木星时,太阳已经完全吞噬了金星和水星。

在原著中,地球路过木星是一趟无惊无险的旅程,借助木星的引力,地球很快达到逃逸速度,“向广漠的外太空飞去,漫长的流浪时代开始了”,而最终的目的地,将是离地球最近的恒星——半人马座α星中的比邻星。

三星系统

对于这颗星星,想必大多数人都不陌生。作为离太阳系最近的恒星系统,半人马座α星离太阳只有4.37光年的距离,自然被科学界列为寻找“新家园”的首要目标。与此同时,这个恒星系统非常奇特——和太阳系不同,半人马座α星是一个三星系统,也就是由3颗恒星组成的系统,这种独特的现象,也成为不少科幻创作灵感的来源,比如大名鼎鼎的《三体》、《变形金刚》里的赛博坦星球以及《阿凡达》的潘多拉星,都和此处有关。

在刘慈欣笔下,半人马座α星的3颗恒星距离相近,在各自引力下互相影响,于是就出现了天文学中的“三体问题”:3颗“太阳”的轨迹完全无法测算,是全无规律的混沌系统,每当“恒纪元”孕育文明后,毫无征兆出现的“乱纪元”又会将其残酷摧毁。

整个三体文明经历200多轮重生与毁灭,有的只发展到了石器时代,而有的则发展到了蒸汽时代,最终,在第220轮文明中,三体人幸运地发展到量子时代,召集起星际舰队,开始向太阳系逃亡。

如果按照2部小说的设定,当三体人到达“氦闪”过后的太阳系,或许会想起途中遇到的那个眼熟的蓝色星球?而地球人冲出太阳系后,肯定也会觉得自己来错了地方。

不过,这终究只是小说的设想,在真正的半人马座α三星系统中,由于半人马座α星C,也就是俗称的比邻星质量太小,和A星、B星的距离也太远,不存在相互捕获的问题。因此,半人马座α星本质上是A星和B星构成的稳定双星系统,加上一颗围绕它们公转的比邻星,是三体问题的特殊解。

家园?

事实上,对半人马座的观察古已有之,中国南方的几个省份,在春天的晚上可以在空中看到“南门二”和“马腹一”2颗亮星,分别就是半人马座α星和半人马座β星,据说,14世纪郑和下西洋时,曾用它们来导航。17世纪,欧洲科学家率先发现这是个双星系统,18世纪又确认了双星的运作规律。1915年,天文学家因尼斯(Robert Innes)通过闪烁照片发现了比邻星的存在,证明了这是个三星系统。

随着一系列先进天文观测仪器的出现,这一星座的不少具体数据已经为我们所知。比如,A星和B星都是和太阳相似的恒星,A星质量是太阳的1.1倍,光度是太阳的1.519倍,B星质量是太阳的0.907倍,光度是太阳的0.445倍,双星距离在35.6 AU 到11.2 AU之间变化。

比邻星则不同,虽然离太阳最近,但它却是三星中和太阳差别最大的一颗,它质量仅为太阳的0.12倍,直径仅为太阳的0.14倍,表面温度只有2670K-3100K,视星等只有11.05等,绝对星等只有15.49等。相比于太阳的温暖,这颗恒星实在是有点冷。

当然,冷不是问题,如果火炉温度不够,我们拉近点不就行了?因此,比邻星同样存在自己的宜居带。所谓宜居带,就是恒星周围的一定范围,水可以以液态形式存在的距离。在太阳系,以地球为标准,这个宜居带在距太阳1.5亿公里的位置,而在比邻星,这个距离将大大缩短至700万公里。

让人振奋的是,2016年8月,欧洲欧洲南方天文台宣布,他们不仅在比邻星周围发现了一颗行星,而且这颗行星恰好就在比邻星宜居带内,他们给这颗行星取名为比邻星b。离得近,加上可能有液态水的存在,这简直天赐的新家园。不过,事情真的会如此简单?在研究公布的当天,NASA就对此进行了详尽的探讨,提出了几个问题。

首先,要在比邻星这样低温的恒星旁成为一颗宜居行星,如前文所说,你要和“火炉”靠得更近才行。因此,比邻星b距离比邻星仅有0.05个天文单位,公转周期11.2天。你作为一颗小星体,近距离围绕一颗比你大许多的恒星公转,不可避免会遇到一个问题——潮汐锁定,也就是小星体永远只有一半朝向大星体。

当前人类最熟悉的就是地球和月球的潮汐锁定,正因为月球背面永远背对地球,我国“嫦娥四号”首次登陆月背才如此激动人心。

有观点认为,潮汐锁定造成的2个半球冷热不均,足以成为阻碍人类生存的因素。但也有人认为,全球大气和洋流的热量输运,可以将问题严重程度缓解至人类可以接受的程度。而且,假如我们是像《流浪地球》那样驾驶地球到达比邻星,就更不用考虑这个问题,毕竟早就有一个半球经历过永夜了。

第2个问题是红矮星温度低,光谱峰值偏红。比邻星的温度是约3000K,光谱峰值已经跑到了900多纳米。植物光合作用机制不得不利用能量更低的光子。而且由于光谱更加扁平,峰值不那么明显,跟地球人只需要适应很窄的波长范围就能获得高性价比的视觉不同,红矮星旁的生物需要能够适应宽的多的波长范围。

当然,这个问题都可以通过生物自身的适应性,以及科技的进步解决。

第3点,相较于太阳,红矮星的磁场更强。太阳的磁场只有1高斯,而比邻星的磁场有600高斯。恒星的磁场过强,就会压制周围行星的磁层,甚至会完全摧毁行星磁层对高能粒子的屏蔽作用。那么,行星上的一切存在,面对太阳风一样的恒星风将会束手无策。而且在离母星很近的情况下,太阳风的剥蚀作用更显著,可能让行星过快的失去大气层。但也有研究认为,行星磁场是可能强到阻绝红矮星强磁场、太阳风的威胁的。

最后一点,由于红矮星本身更不稳定,它的表面可能产生占比过大的黑子,使其亮度不时发生显著的变化,而且红矮星的耀斑爆发事件也比太阳猛烈得多,可使其全波段辐射增强4个数量级,相当于等效温度提升10000K,对附近的行星造成巨大冲击。这点非常重要,不过,由于当时并无实据,科学人员也只是提出了一个可能。

耀斑

除了NASA,国内的科研人员也提出了一些问题。果壳网也提出了3个问题,包括其真实质量未知,最终可能是木星一样的气态行星;其大气情况未知,考虑到它的质量是地球的5倍,它的大气可能极为稠密,造成强烈的温室效应;鉴于观测手段有限,我们只知道观测到的一个信号,不知道比邻星b是不是一定真的存在。

不过,这场热烈的讨论只维持了1年。2017年3月,NASA提出的最坏可能出现了,比邻星的亮度在10秒内上升了1000倍,随后迅速回落。这是一次比最强烈的太阳耀斑还强10倍的恒星耀斑。比邻星b在这次事件中受到的辐射,比通常太阳耀斑爆发时地球受到的辐射高出约4000倍。即使比邻星b存在生命,在这种程度的摧残下恐怕也难逃一劫。

2018年,科学家又观察到了比邻星一次超级耀斑爆发,从地球上看,比邻星在耀斑爆发时亮度比起平时增加了68倍。地球如果泊入这样的恒星轨道,在耀斑爆发时,地球生态圈可能受到毁灭性打击。

国家天文台星云计划研究员李然在科普中国网站提出一种观点,比邻星并不适合作为地球流浪的终点,但可以作为一个中途补给站。在太阳临近大约16光年内有52颗恒星,这些恒星都可以作为流浪地球最终的备选之地。地球可以在这里获得燃料补充,前往下一个地方,例如,距离太阳12光年的Tau Ceti也许就是一个不错的选择,其亮度大概是太阳的一半,而且看起来非常稳定。

希望

读者需要知道的是,以上并非最终结论,因为到目前为止,人类从未,也无法近距离观测过这个星座和星球,即便是用哈勃望远镜看,半人马座α星A和半人马座α星B只是2个光点,比邻星黯淡无光,更不用说行星之类的更小星体。以上所有理论结果,基本上都是通过间接方法推测而得。可以说,对半人马座的探索热情,是这几年才兴起的。

目前,短期内最有希望取得进展的是欧洲南方天文台在智利修建的欧洲极大望远镜(E-ELT)。2017年,欧南台选定智利阿玛逊斯山为最终地址,将在此处建立全球最大、革命性的望远镜。该镜的口径十分惊人,主镜39.3米口径,面积近似于半个足球场,带来的是进光量的巨大提升。

据悉,该望远镜的进光量超过人眼的1亿倍,是伽利略望远镜的800万倍、哈勃望远镜的256倍、甚大望远镜单体单元的26倍,也是地球上现有所有8-10米口径望远镜进光量的总和。

此外,该望远镜配备了6个激光导星仪、第4-5级反射镜以及超强感光元件,通过光学自适应系统可实现每秒700次的光学细微调整,最大程度降低大气的干扰,预其计成像的锐度高于哈勃空间望远镜16倍。带来的结果是,届时,我们将直接看到比邻星b的真容,甚至可以直接探查大气层和地表,搜寻水甚至地表生命的迹象。

美国方面,40年前发射的“旅行者一号”,已经飞出了冥王星轨道,达到了逃逸太阳引力的速度。按照预先规划的路线,“旅行者一号”将在8500年后,离开奥尔特星云,4万年后飞临第一颗外恒星Gliese 445,7万年后终于路过比邻星,最后向着人马座方位,朝银河系中心驶去。

这毕竟是40年前的技术和规划,按照《流浪地球》设想,地球要在2500年后到达比邻星,当然,电影中的地球可以获得源源不断的动力,而“旅行者一号”基本上只能在宇宙中漂流,但无论怎么说,7万年,对于地球人来说都是一个过于宏大的尺度。

2017年,NASA提出了探索半人马座的新设想。美国喷气推进实验室计划在2069,也就是阿波罗11号登月100周年,向半人马座发射探测器。为什么要等这么久呢?原因很简单:现在还没有技术。

半人马座α星距我们4.4光年,按照憧憬中的能以十分之一光速飞行的飞船计算,也需要44年才能到达。因此,你,甚至你的下一代能否活着看到结果都不好说。最理想的情况下,探测器要到2113年左右才能到达半人马座,而且数据还要经过4.4年后,才能传回地球。

相较而言,霍金留下的遗产——“突破摄星”计划采用的光帆推进技术,可能更有可操作性。

按照设想,“突破摄星”将使用一个巨大的地基激光阵列,推动超轻型宇宙飞船的舰队达到超快速度。计划采用的宇宙飞船直径可能只有3到12英尺,相较于传统动辄数吨的探测器,其重量可以忽略不计。

同时,他们计划为飞船一种“纳米仪器”,质量只有1克,和一枚回形针差不多,但是这足以将光帆、相机和传感器等组件容纳于内。这些传感器可以测量磁场,从而保护行星不受辐射的影响,还可以探测到可能表明存在生命的特定波长的光。

而驱动这种飞船前进的,将是地球上的超大功率激光系统。工程人员需要造出功率够大、价格够便宜、相互紧密又足够连接的激光阵列,使数百万台设备可以像单台一样稳定;在短暂的功率输出巅峰,总功率需要接近1千兆瓦,大约相当于1000座核电站的发电量。根据预期,激光阵列的修建约需要花费100亿美元。

激光阵列将大量的光集中照射在纳米飞行器上,只需几分钟,就能赋予它惊人的60000G加速度。最终,“突破摄星”宇宙飞船的速度可以达到光速五分之一——1.34亿英里每小时,仅需在20年多一点,就能到达半人马座阿尔法星系的3颗恒星范围内。

鉴于激光技术的先进性和敏感性,政治问题是不得不考虑的。为“突破摄星”飞行器提供能量的激光,足以将通信卫星蒸发,因此不可能交到某个单独国家手中。这么看来,《流浪地球》中的地球联合政府倒也不是空想。

值得一提的是,在现阶段上,人类已经可以放下嫌隙。“突破摄星”项目2个重要参与方分别是俄罗斯亿万富翁米尔纳(Yuri Milner)和NASA埃姆斯研究中心,两个相互越来越不待见的国家,十分难得地在涉及全人类未来的大事上携手合作。

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