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《流浪地球》裏的科學奧秘

來源:瞭望智庫 | 作者:木辛君 | 時間:2019-02-11 | 責編:于京一

 本文作者:木辛君 清華大學航太航空學院工程力學系在讀博士,中國科幻銀河獎/星雲獎獲獎作者

本文審核:劉慈欣,高級工程師,科幻作家,中國作協會員,小説《流浪地球》作者、電影監製

現實中,“流浪地球”真的可能發生嗎?明知靠近木星有危險,為什麼地球還要走這條路?

帶著種種疑問和思考,讓我們一起惡補,共同走進科學的奧秘!

“氦閃”是什麼現象?

太陽會不會熄火?

從恒星的演化規律上來講,太陽是會有熄火的那一天,不過是在遙遠的50億年之後。簡單來講,當太陽核心中的氫燃燒殆盡,生成的氦元素在引力的作用下坍縮,釋放的能量進一步升高溫度,點燃核心周圍的氫殼層,然後太陽迅速膨脹,成為一顆紅巨星。

有理論認為,太陽演化生成的紅巨星非常巨大,最遠能夠膨脹到地球軌道。這樣,水星、金星和地球都會逐漸墜入太陽而毀滅。其實,早在太陽吞噬掉地球之前,地球上的海洋早已被膨脹的紅巨星烤幹,生命不復存在。

▲ 圖注:太陽從誕生到膨脹為紅巨星的過程。

▲ 圖注:太陽從誕生到膨脹為紅巨星的過程。‍

氦閃是發生在品質介於0.5倍到2倍太陽品質的恒星演化末期。當核心處的氫燃燒殆盡,形成的氦堆積在核心處,氦不斷積累自我壓縮,密度增加到一定程度形成“簡並態”,處於簡並態的物質靠簡並壓(一種量子力學效應)支撐著自身重力,而非靠熱壓力支撐。核心處的氦的自我壓縮,還會讓溫度升高,然而簡並態物質有一個奇怪的特性:溫度升高並不會導致其發生熱膨脹,也就不會吸收熱量,而且簡並態物質的熱傳導性非常好,當溫度一路飆升至1億度時,氦就受不了了,發生猛烈的熱核燃燒,短短幾分鐘就把核心6%的氦元素變成碳元素。對於太陽品質的恒星來講,氦閃釋放的能量相當於太陽燃燒3000萬年。

然而,據計算,如此巨大的能量並不會對紅巨星的外觀造成什麼可觀測的影響,因為這種能量釋放發生在恒星的深處,巨大的能量釋放讓熱壓力超過簡並壓,核心物質脫離簡並態而膨脹,大部分能量都耗費在驅動核心物質膨脹當中,剩餘的少部分能量被厚厚的外殼吸收。實際上,並不會發生電影中看到的劇烈景象。

簡單總結一下氦閃的過程:氫燃燒變成的氦物質堆積在太陽核心,核心的物質越來越多,然後發生收縮溫度升高,但核心的物質處於簡並態,溫度的升高並不能使其自動停止收縮,溫度會越來越高,當跨過1億度的門檻時,就發生了猛烈的爆炸式氦燃燒,數分鐘內就把能夠燃燒的氦變成了碳。但氦閃釋放的能量都被太陽本身吸收,表面居然看不出內部發生了什麼。

品質小于0.5倍太陽的恒星沒有足夠的能力發生氦閃,而品質大於2倍太陽的恒星,發生的是穩定的、溫柔的氦燃燒,無需發生氦閃。獵戶座中大名鼎鼎的“參宿四”就是一顆品質是太陽10倍的紅巨星,核心正在發生氦平穩燃燒變成碳的過程。對於恒星的演化而言,品質幾乎決定一切,當然還要考慮其金屬豐度。

▲ 圖注:位於獵戶座之肩的參宿四,這是一顆核心正在燃燒氦的紅巨星。如果把這顆恒星放在太陽的位置,表面甚至可以觸達木星軌道。

▲ 圖注:位於獵戶座之肩的參宿四,這是一顆核心正在燃燒氦的紅巨星。如果把這顆恒星放在太陽的位置,表面甚至可以觸達木星軌道。

為什麼要去木星?

故事背景是這樣的:太陽急速老化,不斷膨脹,太陽系已經不適合人類生存,於是人類為自己選了一個新的家園——比鄰星(半人馬座三星)。

▲ 比鄰星同太陽一樣,都是恒星,但品質只有太陽的八分之一

▲ 比鄰星同太陽一樣,都是恒星,但品質只有太陽的八分之一

地球是個龐然大物,半徑6371公里,重達59萬億億噸。但人類造出了同樣龐大的行星發動機,足以在5年左右將地球推進到逃逸速度(脫離太陽引力的最低速度)。

但這個速度還遠遠不夠。比鄰星(半人馬座三星)距離地球4.3光年,如果按照逃逸速度航行,需要7.7萬年才能抵達,這實在是太漫長了!

即使行星發動機繼續加速,達到光速的百分之一仍然不可行。於是人類想到了借助木星的“引力彈弓”,令地球零消耗改變方向、提升速度,最後到達比鄰星。

那為什麼行星發動機不能加速到百分之一光速呢?這是因為行星發動機的能量來自“重元素聚變”。

重元素聚變有什麼限制?

所謂重元素聚變並不是什麼稀奇玩意兒。在宇宙深處有不少恒星“巨無霸”,內部就在進行著重元素聚變。

重元素聚變的質能轉換效率是相當低的。最樂觀估計,地球要達到逃逸速度,也必須燒掉7億億噸的石頭,相當於把全球的地面挖掉40米做為燃料;要達到光速的百分之一,則必須削去地殼的一半。

如果無法靠自己的力量推動地球,那就借助精巧的軌道計算,利用天文尺度的力量——萬有引力。於是人類將目光投向木星。

木星的引力彈弓是怎麼回事?

航太中存在引力彈弓現象,利用它,可以令航太器零消耗低改變方向、提升速度,送達目標軌道。

引力彈弓一般發生在一對重量相差懸殊的天體之間。這裡我們用木星(紅色球)和地球(藍色球)舉個例子,如圖a和圖b所示。

地球以速度V靠近木星,而木星在軌道上以速度U運作↓↓↓

▲ 圖a:引力彈弓的示意圖

▲ 圖a:引力彈弓的示意圖

足夠靠近後,地球被木星引力抓住,牽引,優雅地轉體半周,然後像擲鐵餅那樣甩出去↓↓↓

下載

▲ 圖b:引力彈弓的示意圖

▲ 圖b:引力彈弓的示意圖

感謝木星甘當人梯的奉獻精神,地球獲得了木星的軌道速度U,疊加上原有的速度V,速度增加到了U+V。地球的速度和能量都增加了,卻沒有消耗任何燃料,就奔著新家園去了。

但如果變軌時離一顆巨行星太近的話,這趟“觀光旅行”可就要不怎麼愉快了。

靠近木星時,發動機為何大批熄火?

當地球靠近木星時,人類突然遭遇了巨大危機:數千台行星發動機故障熄火了,全球地震,火山爆發,岩漿吞沒了地下城……

▲ 圖中紅線部分為長城

▲ 圖中紅線部分為長城

為什麼幾千台發動機會同時熄火呢?為什麼地震、火山都趕在這個時候來湊熱鬧呢?這一切災難的根源是“洛希極限”,簡單説就是地球離木星太近了,太近會發生什麼呢?

超過洛希極限會發生什麼呢?

洛希極限(Roche limit)是天文學中的一個特殊的距離。當兩個天體的距離少於洛希極限時,它們就傾向於被“潮汐力”撕碎。

計算表明,地球和木星的距離如果低於10.3萬公里,那麼大氣就會在潮汐力的作用下脫離地球;如果距離低於7.44萬公里,那整個地球都會被撕碎。

潮汐力有多可怕,我們拿一個茶壺和茶杯舉例子:

▲ 圖c:用來演示潮汐力的茶杯

▲ 圖c:用來演示潮汐力的茶杯

我們在杯壁頂部倒一些水,讓它在重力作用下向著杯底滑落。越靠近杯底,水滴會越拉越長,最後被拉扯到了撕裂的極限。這個極限就可以被認為是這個茶杯對水滴的“洛希極限”。

木星的引力場,實際上就是這樣一個“茶杯”。地球尺寸很大,當它靠近木星時,離木星較近一側受到的引力,將比較遠一側大得多,因此會像水滴一樣被逐漸撕裂。

《流浪地球》電影中,地球已經到達了地木“流體洛希極限”(地木距離10.3萬公里)。在此處,液體和氣體不再能被地球引力束縛,而傾向於逃逸;而岩石還勉強能憑藉自身的硬度堅持一會兒↓↓↓

▲ 圖d:地木流體洛希極限模擬(二維簡化模型)

再靠近木星一點,地球將進入地木“剛體洛希極限”(地木距離約7.44萬公里)。在此處,就連堅硬的岩石都會被引力差撕碎,地球將徹底解體↓↓↓

▲ 圖e:地木剛體洛希極限模擬(二維簡化模型)

可以想像《流浪地球》中,人類面臨的是怎樣的挑戰:太靠近木星不行,那樣會被潮汐力撕碎;太遠離木星也不行,那樣無法借助引力彈弓變軌。

流浪地球的目的地——比鄰星

稍有天文常識的人都知道,距離太陽系最近的恒星是“比鄰星”,只有4.2光年,4.2光年對於我們來説也是巨大的空間尺度了,要知道1光年大約等於9.5萬億公里。

▲ 圖注:該圖描繪了比鄰星恒星系統中三顆恒星的關係,及在比鄰星周圍發現的一顆行星。

▲ 圖注:該圖描繪了比鄰星恒星系統中三顆恒星的關係,及在比鄰星周圍發現的一顆行星。

比鄰星所在的恒星系統其實是包含了三顆恒星。三顆恒星肉眼是無法分開的,看起來就像是一顆恒星。由於這三顆星是半人馬座最亮的星點,因此稱為“半人馬座α”星。半人馬座α星是由兩顆太陽大小的恒星相互圍繞公轉,外加一顆相對距離較遠的“比鄰星”組成。這個恒星系統也是劉慈欣《三體》小説的切入點。實際上,這樣的三體系統是穩定的,不會出現《三體》中所描述的“恒紀元”和“亂紀元”。

在2016年,歐洲南方天臺發現一顆行星圍繞比鄰星公轉,該行星距離比鄰星約0.05個天文單位(750萬公里),品質相當於地球的1.3倍。令人興奮的是,該行星可能處於比鄰星的宜居帶上。“宜居帶”是指行星距離恒星遠近合適的區域,在這一區域內,恒星傳遞給行星的熱量適中,既不會太熱也不太冷,能夠維持液態水的存在。但由於比鄰星是一顆紅矮星,能量輸出不太穩定,經常有大的爆發現象,可能並不適合生命在其周圍生存。

比鄰星一直是人類設想的星際航行的首選目的地

2016年4月12日,著名的俄羅斯投資人尤裏·米爾納宣佈了“突破攝星計劃”。霍金還親臨現場為該計劃站臺助威。

▲ 圖注:“突破攝星”計劃的光帆飛行器需要強勁的地面鐳射陣列供能。

▲ 圖注:“突破攝星”計劃的光帆飛行器需要強勁的地面鐳射陣列供能。

該計劃設想在地面上建設鐳射陣列,然後利用鐳射産生的光壓推動極薄、極輕的光帆高速前進,在200萬千米的距離上完成加速過程,並使光帆的速度達到光速的20%!以這樣的高速奔向離太陽系最近的比鄰星所在的恒星系統僅需20年。

光帆攜帶一個釐米大小的晶片,小小的晶片上面整合有核電池、微處理器、導航系統、通信系統、以及高清相機等等,真可謂是“麻雀雖小,五臟俱全”,是一枚真正的探測器。為了節約加速能量,光帆和晶片的品質限制在克量級。光帆和微晶片的組合體可以成群地運作在地球軌道上,等待鐳射陣列的加速一個個奔向深空。

當然,這個激進的設想給當前人類的科技水準提出了很大的挑戰!鐳射器的連續輸出功率要求為100吉瓦(1億千瓦),相當於五個三峽水電站的輸出功率。這樣強大的鐳射對光帆來説簡直是噩夢,在承受極大光壓的同時,還要承受極高的溫度。抵達目標後,微晶片探測器想要把資訊發回4.2光年之遙的地球並接收難度極大,因為晶片的發射功率實在有限。

宇宙中還真有流浪行星

從電影回到現實中,科學家還真發現宇宙中有流浪行星(Rogue planets),這樣的行星不隸屬於任何恒星。年初,清華大學毛淑德教授接受採訪時表示,可以利用“微引力透鏡法”探測流浪行星。簡單來説,微引力透鏡是指當有未知天體經過背景恒星時,天體的時空彎曲效應就會突然增亮背景恒星的亮度。

流浪行星的形成有多種原因,品質較大的可能是像恒星那樣獨立形成的,例如有很多行星的品質已經逼近褐矮星的程度。有些可能是中央恒星發生超新星爆炸,行星被衝擊到宇宙空間。

還有一些可能是在恒星系統形成的過程中,被其他行星的引力相互作用拋出去的。自從牛頓發現萬有引力定律解釋了行星運動以來,科學家就發現,由於恒星系統是多體相互作用,其實是一個混沌系統,長期來看運動是不可預測的,有一種可能就是某顆行星會被拋出太陽系。

還有一種更精彩的情況,當恒星被黑洞吞噬的時候,其攜帶的行星有可能被拋射出去,形成速度極快的流浪行星。

更腦洞的情況就是大劉描繪的被高等智慧生命驅動,在宇宙中尋找尋找合適家園的流浪行星。

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