迷蒙的大地上,耸立着一片金属的巨峰,从我们周围一直延伸到地平线。巨峰吐出的光柱,如一片倾斜的宇宙森林,刺破我们的摇摇欲坠的天空。
——《流浪地球》
失落的家园、生活的无奈、残存的希望;令人惊喜的场景质感,令人触动的家国情怀……去年寒假上映的《流浪地球》无疑给人们带来了一场科幻盛宴。2019年10月22日,南京大学天文学系李向东教授带来了名为“从流浪地球到《宇宙简史》”的科普讲座,带领我们再次搭乘《流浪地球》这一科幻列车,以天文学的视角探寻沿途风景,启发众人对宇宙的兴趣与思考。
《流浪地球》所描绘的未来,是一个人们不再有温暖阳光、无法在地面上自由生活的世界。
帷幕落下,当一切惊艳与感动都归于平静,人们的思考却越发深邃。
人类与地球的命运由何控制?
人类的未来在何方?
而在为向何处去感到恐惧之前,人们或许更应仔细思考人类从何而来。
若追溯宇宙完整的演化过程,并将这漫长的时间压缩为一年、制成日历,便能直观地看见:从1月1日的宇宙大爆炸开始,直到地球的形成,这便耗了大半历史;
而与之相对的,持续了约5000万年的恐龙时代也只是这本日历的最后薄薄几页;
人类的起源和发展所需时间更是不足一天,直至数秒前人类文明才刚刚兴起……在这本日历中,人生百年,不过眨眼即逝。
被无限压缩的文明年限展现了如今平静环境下的暗流涌动。人们不得已将目光投向天际,“在漫天星辰中流浪”,这一看似疯狂的念头便已悄然生根。人们再次抬头仰望星空,勇敢地凝视着宇宙深渊中潜伏的危险、眺望着流浪的远方。
危机:四伏的威胁——流浪之始
我们为何流浪?因为这不长久的平静。又是什么缩短了平静的保质期呢?这便是宇宙中四伏的危机了。危机的起源,还要从恒星的一生说起。
恒星起源于气体,稠密的比较冷的气体形成了恒星最初的胚胎,这便是上图所展示的原恒星。而当气体在引力的作用下收缩凝聚,引力势能不断转化为内能,内部温度便不断上升。当温度达到了临界值,原始状态便不再存在,各种元素都变成高速运动的带正电的离子和带负电的电子。而运动带来的碰撞便会形成新的元素,同时产生质量亏损。亏损的质量小部分变成了中微子和正电子,更多的则以光能释放,这便是所谓的核反应(也叫核燃烧)。恒星便进入了婴儿阶段,恒星内部的核反应也自此开始。从这以后,恒星内部的核反应持续稳定地进行,像人类一样在慢慢地成长、成熟。
壮年时期的恒星则以现在的太阳为例。
如若用望远镜直接观察太阳表面,会发现它表面的气体在不断发生对流。
若剖开太阳,则会发现,越靠近太阳核心,温度越来越高,密度越来越大,压强也就越来越大。
而太阳的最核心处便是氢原子核的热核聚变反应。
至此,所发生的一切核燃烧仍是受控的。
而当恒星内部的物质都烧光时,它就进入了老年阶段,或者说是已经死亡了。此时的它便不再这么耀眼。而当太阳中的氢全烧光成氦,它就会开始膨胀,变成所谓的红巨星。红是因为它的表面温度将会比如今的太阳低;巨则是因为它不断膨胀,体积增大。而核心一旦没有能源,引力的作用下它又会收缩,进行类似原恒星的阶段,最终温度再次达到另一新的临界点。
如果说太阳核心的温度足够轻原子核的燃烧(如氢的燃烧),那么这个临界点的温度将比之前高十倍以上,这时便会经历一个巨大的能量释放过程,从而再次达到开始燃烧的阶段。
它会在几分钟之内进行一个爆发性的燃烧,此时核心中的大约三分之一到一半的物质将被全部烧光,释放出约为太阳在几千几千万年释放的所有能量。
这便是氦闪,也是刘慈欣的小说《流浪地球》中提及的地球流浪之因。
随着恒星内部核反应的不断进行,它慢慢走到了生命的终点,那个时候恒星将会变得非常庞大,成为红超巨星。
若再次剖开此时的恒星,则会发现它的内部结构像洋葱一般复杂。
以参宿四为例,此时的最内核元素已燃烧成了铁。而铁的比结合能最大,即铁最稳定,无法再燃烧生成原子序数更大的元素,核反应就不可能再进行了。因为没有能量支撑,于是此时恒星的铁核便发生坍缩,即所谓超新星爆发。这也意味着又一次的超能释放。
超新星爆发产生的巨大能量会将整个星体炸碎,碎片在空间逐渐膨胀,形成超新星遗迹和一些弥漫的星云,而恒星的核便会形成中子星或是黑洞。
整个过程不过几十毫秒。
但这几十毫秒内释放的能量,却相当于这个恒星之前一生释放的能量,足以毁灭它所在的整个星系。
另一方面,超新星爆发的过程,又触发了恒星的形成。
根据恒星形成的理论,尽管恒星起源于气体的凝聚和收缩,但是过程往往不是自发的,它需要一个外界的因素,而这个因素极有可能是周围恒星的死亡。
而关于地球四伏的危机,从太空层面大致分为太阳的衰老、超新星爆发、近地小天体和外星文明四方面。
太阳的衰老
其实,根据科学推算,氦闪在太阳将近110亿岁的时候才会发生,而这个时间点离我们还有数十亿年。不过这并不意味着到那个时刻,太阳才会对我们造成威胁。
在这之前,太阳便会不断膨胀,当演化到红巨星阶段时,它便恰好和地球的轨道差不多大。
到那时,数千度的高温会导致地球上不再存在液态水;
同时太阳的物质抛射会变得越来越强,形成高能射线,强烈太阳风的吹动会使地球表面大气几乎被剥光。
这也就意味着在还未达到这个状态时,地球上所有的生命就已被毁灭。
超新星爆发
前文所提,超新星爆发将会产生巨大能量。科学推测,如果在距离地球30光年内出现一颗超新星,其爆发时产生的宇宙线流量(高能射线)将增加约100倍,地球上的绝大部分生命将消失。所幸,目前观测到的超新星参宿四距地球有590光年。
近地小天体
“天空中布满了火流星,那些红发恶魔好像是从太空中的某一个点同时迸发出来的。”小行星的威胁同样不可小觑,如1994年历时5~6天的慧木相撞事件。有人推测,若无木星替地球挡住这颗彗星,该彗星在地球上施加的破坏力不亚于20亿颗广岛原子弹。而至今,地球仍有着超过20000颗近地小行星,其中10%是潜在危险小行星。
下图名为“不死鸟”的近地小行星便是一例,反照率仅为0.04左右使得它难以被发现。
外星文明
一个文明的寿命越长,它与其他文明发生接触的概率也就越大。据推算,银河系中至少有100亿颗类似地球一般处于宜居带内的类地行星。去年1月,西方媒体大肆报道了遥远宇宙的射频信号。这个社会爆发性号码,物理学上称之为快速射电暴。不过如今已被证实这和所谓的生命或文明没有什么关系,因为后来陆续发现了很多类似这样的信号。但是这类信号总给人类一种幻想:是否有其他智慧生命在宇宙中尝试与我们取得联系?
领航:脉冲星——时钟与罗盘
《流浪地球》中,地球在流浪途中并不孤独,它有个小小的伴侣,叫做领航员国际空间站。因为地球本身也在移动的缘故,传统的卫星导航已不再适用。在太空流浪的我们需要一种新的导航方式,这便是宇宙中最准确的时钟——脉冲星。
脉冲星的本质也就是前文提到的超新星爆发形成的中子星。它的密度比水大100万倍,因此中子星上,分子不再存在,一切都被压缩,质子和电子也结合成了中子。中子星不仅密度最大,压强也最大,磁场最强,转速最快。
它的磁场强度比太阳表面的要大上万亿倍,这使得它的辐射不同于太阳的各向同性,而是主要集中在它的两个极点,表现为沿着磁力线相互的成束状辐射。
如果它产生的辐射数扫过地球,且被成功接收到,就会有一个强度变化的体现,表现为一个脉冲;
如果背离地球,它的强度就下降。
所以图像上强度变化的信号间隔,就和它的自转频率是完全一致的,这便叫做脉冲性。
而脉冲星的脉冲信号非常特别,它的转动高度稳定,转动的周期或者频率几乎不变。
因此它的稳定性比目前地球上最精准的原子钟还要精准百万倍。
通过观察多个脉冲星产生的不同方向的脉冲信号及它们的相对位移,辅以现有的天文导航原理,便可以帮助人们确定地球在星际空间里的位置。
终点:比邻星——
流浪,是为了不再流浪
比邻星是指半人马座里的一个三星系统,而并非一颗单独的星。它由两颗比较大的恒星和一颗小的恒星组合而成。其中两颗较大的恒星与太阳的质量非常接近,所以当太阳灭亡的时候,它们也几乎是同时死亡,因此它们不值得我们去定居。而剩下的那颗小恒星Proxima,它的寿命非常长,甚至可以达到上万亿年,足以给流浪的人们一个安稳的家,让流浪的结局不再是流浪。
当然在Proxima周围定居也有不利的一面,譬如潮汐锁定。但其实现在,我们周围也存在潮汐锁定现象,比如我们从地球望月总是只能望见月亮的南面,就是因为月球与地球距离太近,潮汐锁定现象使得月球的自转和公转同步了。
类似的,Proxima宜居带的轨道更小,地球与Proxima距离过近也会使得地球永远只有一面朝向恒星。如若不考虑温度交换,一面是无尽酷暑,而另一面,则是无限的严寒与黑暗。除此之外,还有另一个不利因素,便是恒星的高能粒子抛射。而质量越小的恒星抛射会更加狂暴,更加频繁,强度也会更高。再加上届时地球轨道距离更小,这便成为不可忽视的另一难题。
尽管Proxima可以给人类一个长久稳定的家,但其中的不利因素仍不容忽视,可见这还是一个值得探讨的问题。
流浪途中你我他
尽管双脚尚未踏上流浪之途,但已有不少人站在星河之前,勾勒着行进的线路图。
安妮·坎农
一位因为染病而几乎完全丧失听力的女天文学家。安妮·坎农凭一己之力将20多万颗恒星的光谱进行分类,而后又花上十余年的时间和同事们继续分类了十余万颗恒星,编成了亨利·德雷珀扩充星表。
约瑟琳·贝尔
一位卓越的天文学家。约瑟琳·贝尔在读博士时偶然接收到来自太空的陌生信号,尽管与所做课题无关,她仍坚持不懈地去追踪这个信号,最终发现了脉冲星这一天体。
致对天文同样怀有一腔热血的你:
愿你常怀好奇心,对天文有探究的精神,这能助你认识宇宙、了解宇宙,进而想象宇宙;
愿你能不断坚守,像坎农、像贝尔,认真细致地对待每一个科学研究;
愿你具有对世界深刻的认知,了解表面平静的生存下暗流涌动的危与机;
最后,愿你拥有永不消磨的情怀。
“CN171–11救援队最后播报:我队已经无法继续执行任务,请同志们继续前进。祝你们成功!”
——刘慈欣《流浪地球》
在可观测的宇宙里,有11000万亿个星系,银河系不过是其中小小的一个;太阳系则是银河系中的1000亿分之一;而地球更是太阳系之中一颗极其普通的行星。在这颗小小的星球上,有那么一部分的原子,通过非常偶然的条件结合,在漫长的时间尺度下由无机的状态变成了有机,再变成了有生命意识的状态,形成了我们——人类。
拯救地球,不是靠一个人或是一支队伍,而是需要很多人的牺牲与不懈努力。仰望星空、探寻宇宙——不必再问为何会有这般情怀,因为无论是谁,在宇宙中的存在都非常偶然,都如此独特。我们也不必再过于恐惧人类的未来。天文学家、物理学家、各行各业的科研工作者,以及所有对宇宙保有好奇和探索欲望的人们……当每一个微小独立的生命都在努力发着光,聚合起来,犹如点点繁星,也将照亮整片夜空、承载未来的重量。即使流浪,途中亦是星辰满天。
编辑:朱佳伟
责任编辑:李伶
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