[科普中国]-“流浪地球”无所依：比邻星并非归宿，寻新家或将依靠虫洞

文/ 苟利军 中科院国家天文台研究员黄月 媒体人大年初一，在点映阶段就获赞满满的中国科幻电影《流浪地球》登陆各大影院。电影根据刘慈欣同名科幻小说改编而来，讲述了一个发生在不远未来的故事。在那时，太阳急剧老化，随时都有可能进入到红巨星的膨胀阶段，地球也因此被吞噬。在此危急关头，为了地球人的存亡，地球上的联合共和国做出了一项紧急决定，在地球上建造上万座重聚变行星发动机，每个产生上百万亿吨的推力，把地球当成一个庞大的宇宙飞船，驶离现有轨道，驶向距离太阳系最近的一颗恒星——比邻星，从而开启了一段长达2500年的星际旅行。地球的好日子难道很快就要了结了么？比邻星在哪里？它是我们流浪地球的最终归宿吗？清醒一点！科幻是科幻，科学是科学。科学告诉我们，在人类还可以存在的几百万年间，太阳系是安全的，地球也不会被膨胀的红巨星毁灭；科学也告诉我们，比邻星虽然是除太阳之外距离我们最近的恒星，但那里住起来可能并不舒服；科学还告诉我们，就算人类有一天掌握了飞向比邻星的技术，也几乎没可能把行星轨道控制在宜居范围内，同时保证不和其他行星相撞。1、幸运如你我，居于太阳系唯一的宜居之星生命是如何诞生的，依旧是现代科学的一个重要研究课题，我们还未完全弄清楚。然而，通过对地球上各种生物的反复观察和深入研究，科学家们发现，水是生命赖以产生的一个重要因素，这也是我们时常听到“海洋是生命的摇篮”这一说法的原因。所以，要想有生命，就必须有液态水存在。天体生物学家在研究系外行星时，正是以寻找液态水作为首要目标的，他们也由此确定了一个学术名词——宜居区，顾名思义，就是宇宙之中适合于生命居住的区域。在天文学研究中，宜居区的确定依据，就是液态水是否存在。我们可以想象一下，如果一个行星距离其中间恒星太近，行星温度就会偏高，在这种情况下，行星表面即使有水，也将以气态形式存在；而如果行星距离恒星太远的话，温度过低，水将会结冰——在以上两种环境当中，按照科学家的理解，都很难有生命被孕育；只有在中间这一温度不高不低的区域里，水能够以液态形式存在，生命也就有了存在的可能性。宜居区这一概念听来简单，但涉及到的实际计算相当复杂。科学家们要将很多因素考虑进去，比如行星质量、行星轨道距离、行星大气、中间母星的光度等等。以我们最为熟悉的太阳系为例，除了地球之外，在众多计算模型当中，另一个位于宜居区内的行星是火星（在某些模型当中，火星处于宜居区的外边缘），火星上有液态水存在的可能。在过去几年里，不同卫星的观测结果也验证了这一点，液态水存在于火星的不同区域。我们为这一观测结果感到振奋，尽管目前科学界还未发现火星有任何生命存在的迹象。太阳诞生于约50亿年前的一次星云坍缩，太阳系的行星紧跟其后。太阳提供的能量来自于其中心氢气的聚核反应，如同大量氢弹在太阳内部不断爆炸，按照现有的数据估算，这种聚核反应将持续约100亿年，所以，太阳还可以再燃烧50亿年左右。或许你会心存疑惑，这一估算结果是否准确呢？这个数字是天文学家们根据大量其它类似太阳恒星的观测、通过建立模型推算出来的，该模型推算出的很多其他结论与科学观测结果相符，所以估算结果较为可信。在小说《流浪地球》中，科学家发现太阳异常，并预测太阳将进入红巨星膨胀阶段，在接下来数百年时间里淹没地球轨道。红巨星是恒星燃烧到后期所经历的一个较短的不稳定阶段。人类学家曾经估算过，因为周围环境的各种变化，人类在地球上还可以存在的时间大约是200万年。如果这个时间估算正确的话，从上文可知，按照我们现有的天文认识，这一灾难在我们人类灭绝之前是不会发生的。需要注意的是，太阳在进入红巨星膨胀阶段之前，其亮度并非始终固定不变，而是会缓慢增加，大约每10亿年，太阳的光度会增加10%左右。所以在某个时间，地球也将移到太阳系的宜居区之外，就不再适合生命存在了，反而在那个时候，火星将完全进入了宜居区。不过在那个时间点到来之前，如果人类还存活在这个星球上的话，我们或许就要开始考虑类似于“流浪地球”的想法了。2、从黯淡蓝点到黯淡红点，比邻星终非归宿《流浪地球》小说和同名电影都提到，地球流浪的最终目的地是比邻星。刘慈欣为什么会选取比邻星作为目的地？想法其实非常简单。半人马座比邻星是除太阳之外距离地球最近的一颗恒星了，距离我们4.2光年，而且它位于三体系统当中。说到这，你或许会想到大家熟悉的科幻小说《三体》了。没错！刘慈欣的三体小说就是以比邻星系统为原型的，可以说比邻星系统是刘慈欣的最爱了。那么，比邻星和太阳类似吗？如果地球真的流浪到比邻星周围，那里的环境适合人类生存吗？尽管我们还不能抵达比邻星周围，但是根据哈勃等强大望远镜对于比邻星的多项观测，我们还是可以了解到有关这个恒星的不少信息。简单说来，比邻星和太阳的差别还是很大的，其质量只有太阳质量的七分之一，属于红矮星，听这个名字便知，它的亮度比太阳低。在刘慈欣写这篇小说的1999年，人们并不知道比邻星周围是否有行星存在；而在2016年底，欧洲南方天文台（ESO）一个名为“黯淡红点”（Pale Red Dot）的发现让天文学家和大众都非常兴奋——科学家们在比邻星周围发现了一个和地球非常类似的行星，它的质量大约是地球质量的1.3倍，公转周期为11.2天，位于比邻星的宜居区当中。天文学家使用了一个名为“地球相似指数”的参数，来描述这一行星和地球的相似度，“黯淡红点”的相似指数高达86%。即便如此，这颗行星的某些性质与地球仍相差甚远。因为比邻星质量远低于太阳，所以围绕比邻星的宜居区也相应地更加靠近中心恒星。又因二者非常靠近，天文学中非常常见的一种现象便会出现——潮汐锁定使得行星只有一面朝向中心恒星。在某种程度上，这类似于我们熟悉的月亮，我们只能看到月球的一面，另外一面永远在视线之外。所以，行星永远朝向中心恒星的一面温度会很高，而另外一面温度很低，其实并不太适合生命的发展。在潮汐锁定之外，还有一个更为重要的问题会影响这颗“黯淡红点”上或许存在的生命，那就是中心恒星频繁的爆发现象。我们知道，太阳偶尔的剧烈爆发会为地球制造出壮观的极光现象，更多时候则会对我们的生活产生危害，干扰通讯，甚至使电力停止。根据天文学家的观测，尽管比邻星质量比太阳质量小，但它的爆发频率和释放出来的能量要比太阳大得多。比如2017年3月观测到的一次比邻星超级爆发现象，比我们之前所观测到的爆发强10倍以上。更加值得注意的是，比邻星的行星上所接收到的紫外辐射，比地球上用来杀死病菌的紫外线强度还要高出100倍以上，这对于行星上的生命来说无异于一场灾难。更糟糕的是，一旦潮汐锁定，根据现有的理论，行星产生磁场的可能性就会非常小，如果剧烈的恒星风持续吹来，即便行星上有大气，在恒星风的作用下也会逐渐逃逸直至消失殆尽。基于对比邻星环境的以上观测，比邻星并不是一个非常适合地球流浪的目的地。而就算比邻星环境不错，我们也能够抵达其周围，如何精确控制地球轨道使之恰好位于比邻星的宜居区内，且不与目前的行星相互碰撞，也是一件难度极高的挑战，在可预见的未来里，人类还无法做到这一点。3、流浪地球不靠谱，希望放在虫洞上在过去的二十多年间，人类对于系外行星的探测突飞猛进，在地面望远镜和空间卫星的帮助之下，我们已经找到了10多颗和地球相似的行星。相较于上文提到的比邻星行星，其它行星与我们的距离可以说都非常遥远了。星际的遥远距离所需要的能源和飞船的速度，是限制我们驶向它们的最大障碍。按照目前的飞船速度，我们大约需要至少上万年时间才能抵达。而将整个星球移居他处的想法的确听来新颖而大胆，但可能性基本为零。去年离世的斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）生前启动的突破摄星计划（Breakthrough Starshot）曾为人类太空飞行注入一线希望。他设想将几克重的探测器在短短几分钟时间内加速到光速的五分之一，使其在20多年的时间内飞到比邻星周围。然而，这样的加速技术需要极多能量，在接下来的20年之内估计都很难实现。所以要想将一艘庞大的宇宙飞船加速到每秒上百公里的速度，对于人类而言还是一个不小的挑战，借此抵达其它星球的希望非常渺茫。从目前来看，人类移居宇宙他处最有希望的一种可能路径，就是发现和穿越虫洞，就像电影《星际穿越》（Interstellar）为我们呈现的那种高维空间的通道。尽管实际中科学家还未发现虫洞，但虫洞的存在有着坚实的理论基础。或许在未来某一天，借助科技的发展进步，我们能够发现虫洞，实现人类的星际穿越之旅。假若人类拥有了虫洞技术，在地球面对宇宙灾难之时，我们便无需流浪整个地球，只需依次在高维空间通道走一遭便可了。无论如何，尽管“流浪地球”的众多场景现实中不太可能发生，然而作为中国的第一部科幻大片，它的大制作和大场景，以及扣人心弦的家国情怀，让看到一个灿烂的科幻未来。作者 | 苟利军 中科院国家天文台研究员黄月 黑洞来客团队 媒体人文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”