地球本身不是一塊堅(jiān)硬的石頭，地殼下40—70公里處是熔巖，有點(diǎn)類似于雞蛋的結(jié)構(gòu)。如果想驅(qū)動(dòng)1萬(wàn)多座發(fā)動(dòng)機(jī)，僅耗時(shí)百年來(lái)推動(dòng)地球“行走”，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)地球產(chǎn)生的壓力，是地球承擔(dān)不起的，會(huì)把“雞蛋”的殼擊碎。而如果發(fā)動(dòng)機(jī)緩慢加速逐漸達(dá)到最大功率，那地球“流浪”的時(shí)間將更長(zhǎng)，甚至要成千上萬(wàn)年的時(shí)間。在“流浪”期間，地球會(huì)發(fā)生什么、遭遇什么，人類文明又將經(jīng)歷什么，都很難預(yù)料。
如果太陽(yáng)危機(jī)近在眼前，人類該如何生存下去？地球作為目前銀河系中已知的唯一存在生命的星球，時(shí)刻接受著太陽(yáng)的“烤問(wèn)”。
在五六十億年后，太陽(yáng)即將迎來(lái)其生命的“終點(diǎn)”，這種“烤問(wèn)”就會(huì)變得無(wú)比致命。
最近大火的電影《流浪地球2》，便是在這種末日即將降臨的背景下展開(kāi)的。影片中，人類試圖借助萬(wàn)座巨大的行星發(fā)動(dòng)機(jī)、洞悉一切的量子計(jì)算機(jī)、高聳入云的太空電梯求得一線生機(jī)。
那么，在現(xiàn)實(shí)中，太陽(yáng)最終會(huì)對(duì)地球造成致命一擊嗎？地球會(huì)隨著太陽(yáng)一起衰亡嗎？行星發(fā)動(dòng)機(jī)是否真的能推動(dòng)地球去“流浪”？為此，科技日?qǐng)?bào)記者采訪了《流浪地球2》的多位科學(xué)顧問(wèn)、專家學(xué)者，一起解讀有關(guān)“流浪地球”的硬核科學(xué)。
若太陽(yáng)走向終結(jié)，地球能否幸免于難？
太陽(yáng)危機(jī)初現(xiàn)，人類攜手迎難而上……《流浪地球2》展現(xiàn)的未來(lái)圖景，殘酷卻又激蕩人心。
太陽(yáng)這個(gè)距離地球約1.5億公里的巨大“火球”，是太陽(yáng)系中最大的天體。大約在46億年前，太陽(yáng)在距離銀河系中心約2.6萬(wàn)光年處，由星云在自身引力作用下坍塌凝聚而成。
目前，太陽(yáng)正處于壯年期，在天文上被稱為主序星階段，這個(gè)階段大約會(huì)持續(xù)100億年。它為地球帶來(lái)了光明與能量，是生命起源必不可少的因素。但太陽(yáng)黑子、耀斑和日冕物質(zhì)拋射等也時(shí)常對(duì)人類生產(chǎn)生活造成破壞。
然而，太陽(yáng)最終會(huì)老去，《流浪地球2》的緣起，便是太陽(yáng)的急速膨脹老化。
在銀河系里，90%以上的恒星最終都會(huì)演化成白矮星。在它們的演化末期，會(huì)吞噬其附近軌道的行星。作為一顆“普普通通”的恒星，太陽(yáng)的歸宿也是白矮星。這是否意味著，太陽(yáng)周圍包括地球在內(nèi)的行星注定也將被吞噬？
“如果行星距離恒星的位置比較近，則被恒星吞噬的可能性很大?！薄读骼说厍?》科學(xué)顧問(wèn)、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員茍利軍告訴科技日?qǐng)?bào)記者。
不過(guò)，“被吞噬”并非行星唯一的歸宿。太陽(yáng)最后會(huì)經(jīng)歷一次行星狀星云的爆發(fā)，變?yōu)橐活w白矮星。在白矮星的周圍，原有的行星也是有可能存在的。
隨著人類觀測(cè)手段的提高，天文學(xué)家也的確在白矮星周圍發(fā)現(xiàn)了一些圍繞白矮星運(yùn)行的行星。
2020年9月16日，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》刊文稱，美國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)首次公布了一顆木星大小的行星圍繞白矮星旋轉(zhuǎn)的證據(jù)。此外，2022年2月，英國(guó)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，距地球117光年的一顆編號(hào)為WD1054-226的白矮星附近的“宜居”地帶，也可能存在著一顆行星。
地球是否可以逃離，躲避“太陽(yáng)危機(jī)”？
2078年，地球?qū)⒃庥鎏?yáng)“氦閃”危機(jī)，是電影中人類決定“流浪”的關(guān)鍵。
氦閃是太陽(yáng)演化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是地球接受太陽(yáng)“烤問(wèn)”的生死時(shí)刻。
“太陽(yáng)之所以會(huì)發(fā)光，是因?yàn)樘?yáng)核心正在發(fā)生核反應(yīng)，那里的氫通過(guò)聚變合成氦，這個(gè)過(guò)程會(huì)逐漸消耗氫，繼而導(dǎo)致太陽(yáng)核心的坍縮。同時(shí)，太陽(yáng)核心之外的包層在高壓強(qiáng)下發(fā)生膨脹?！蹦暇┐髮W(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授陳鵬飛告訴記者，“當(dāng)以氦為主要成分的太陽(yáng)核心逐漸收縮時(shí)，其溫度也越來(lái)越高。當(dāng)溫度達(dá)到約1億攝氏度時(shí)，氦會(huì)被點(diǎn)燃，大量的氦在幾分鐘內(nèi)完成聚變反應(yīng)，釋放的能量很巨大，發(fā)出的光會(huì)猛然增加約50倍，這個(gè)過(guò)程就是氦閃?！?/p>
再過(guò)50多億年，太陽(yáng)演變?yōu)榧t巨星后，其表面溫度可能會(huì)從現(xiàn)在的5700多攝氏度降為約3000攝氏度，屆時(shí)太陽(yáng)核心的氫將消耗殆盡?！读骼说厍?》科學(xué)顧問(wèn)、中國(guó)科學(xué)院物理所研究員梁文杰說(shuō)：“氦閃通常會(huì)發(fā)生在紅巨星演化末期。紅巨星階段，太陽(yáng)已經(jīng)膨脹到地球軌道，而且表面溫度達(dá)到約3000攝氏度，而地球巖石的熔化溫度在2000攝氏度以下。因此，無(wú)論是紅巨星階段的溫度變化，還是突然爆發(fā)的氦閃，都會(huì)讓地球熔化?！?/p>
如果50多億年后，地球生存危機(jī)在所難免，那么是否可以在太陽(yáng)的“膨脹期”提前避其鋒芒，改變軌道另尋去處，待氦閃等危機(jī)解除后，再重返原來(lái)的地球軌道？
梁文杰認(rèn)為，即使太陽(yáng)危機(jī)解除后重返原來(lái)的地球軌道，對(duì)于地球來(lái)說(shuō)，可能意義也不大了，“因?yàn)槟菚r(shí)的太陽(yáng)已經(jīng)進(jìn)入衰老期，它提供的熱量應(yīng)該無(wú)法維持地球生命的生存了。太陽(yáng)系中的木星、土星、天王星、海王星，由于距離太陽(yáng)較遠(yuǎn)，均為冰凍星球，星球溫度在零下一二百攝氏度。屆時(shí)地球如果還想回到太陽(yáng)周圍獲取能量，就要不斷修正軌道，逼近太陽(yáng)，但最終太陽(yáng)這個(gè)‘大火球’還是會(huì)‘熄滅’的?！?/p>
“就算暫時(shí)‘離家出走’再重返家園是可行的?？傻厍蛐枰燃铀匐x開(kāi)原有軌道后再減速，速度調(diào)節(jié)的過(guò)程會(huì)很漫長(zhǎng)，而且這會(huì)消耗地球上巨大的能量，工程浩大。更何況，重返地球目前的軌道、逼近太陽(yáng)的過(guò)程，也存在風(fēng)險(xiǎn)?！绷何慕苷f(shuō)。
而如果放棄太陽(yáng)，尋找其他恒星，也將面臨更大挑戰(zhàn)。茍利軍認(rèn)為，假如地球另?yè)裼钪妗皸⒌亍?，選擇新的恒星環(huán)繞運(yùn)行，就意味著要“適應(yīng)”一個(gè)新的行星軌道，那么進(jìn)入軌道的速度、方向、能量等都需要精準(zhǔn)測(cè)算，人類現(xiàn)有的技術(shù)在短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)行星級(jí)天體的入軌。
核聚變會(huì)是更好的“流浪”方案嗎？
影片中，人類試圖通過(guò)移山計(jì)劃、方舟計(jì)劃、逐月計(jì)劃、數(shù)字生命計(jì)劃在末日來(lái)臨時(shí)尋找生機(jī)。最終，上萬(wàn)座巨大的行星發(fā)動(dòng)機(jī)，成為推動(dòng)地球開(kāi)啟“流浪之旅”的希望。
梁文杰為影片中的行星發(fā)動(dòng)機(jī)、月球發(fā)動(dòng)機(jī)、逐月計(jì)劃的物理效應(yīng)以及月亮爆炸方式等內(nèi)容提供過(guò)建議，他表示：“從藝術(shù)上來(lái)說(shuō)，影片中的地球‘流浪’方式是一個(gè)偉大的想象，但從目前的科學(xué)水平來(lái)說(shuō)還很難實(shí)現(xiàn)。”
梁文杰解釋：“地球本身不是一塊堅(jiān)硬的石頭，地殼下40—70公里處是熔巖，有點(diǎn)類似于雞蛋的結(jié)構(gòu)。如果想驅(qū)動(dòng)1萬(wàn)多座發(fā)動(dòng)機(jī)，僅耗時(shí)百年來(lái)推動(dòng)地球‘行走’，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)地球產(chǎn)生的壓力，是地球承擔(dān)不起的，會(huì)把‘雞蛋’的殼擊碎。而如果發(fā)動(dòng)機(jī)緩慢加速逐漸達(dá)到最大功率，那地球‘流浪’的時(shí)間將更長(zhǎng)，甚至要成千上萬(wàn)年的時(shí)間。在‘流浪’期間，地球會(huì)發(fā)生什么、遭遇什么，人類文明又將經(jīng)歷什么，都很難預(yù)料?！?/p>
“但如果考慮能源供給方式，受控核聚變很值得期待，雖然現(xiàn)在還面臨很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。”梁文杰介紹，核聚變是在高溫情況下，讓兩個(gè)原子核相互碰撞，最終結(jié)合，生成一個(gè)新的原子核，其間能釋放巨大的能量。這其中的關(guān)鍵是要將核聚變產(chǎn)生的能量長(zhǎng)期、持續(xù)地向外穩(wěn)定輸出，要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)目前還需要攻克很多技術(shù)難題。
不過(guò)，即便氫的核聚變最終能夠?qū)崿F(xiàn)，可以為人類提供大量能源，但核聚變所需要的重要原料氘、氚，在地球海水中的豐度較低，核聚變?cè)虾?3的儲(chǔ)量也異常稀少。因此，以目前人類擁有的資源總量來(lái)看，核聚變的能量還是不足以推動(dòng)地球離開(kāi)太陽(yáng)系。
那么，是否可以像《流浪地球2》中那樣“燒石頭”，通過(guò)重核聚變獲取能量呢？梁文杰表示，重核聚變指的是采用硅、氧等比較重的元素作為聚變?cè)汐@得核能。相較于以氘、氚、氦-3為原料的輕核聚變，重核聚變獲得聚變能的效率很低。雖然硅和氧元素在地殼中的比例較大，但為了克服重元素原子核之間巨大的靜電斥力，使它們產(chǎn)生核聚變反應(yīng)，需要更高的溫度和更強(qiáng)的壓力，反應(yīng)溫度甚至需達(dá)幾十億攝氏度，這極大地挑戰(zhàn)著目前人類的科技能力。
延伸閱讀
宇宙中是否有流浪行星？
如果有一天，地球不得不踏上“流浪”之旅，是否能在茫茫宇宙中遇到“同病相憐”的天體？
《流浪地球2》科學(xué)顧問(wèn)、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員茍利軍介紹，在宇宙中，有一類不環(huán)繞任何恒星公轉(zhuǎn)的行星，即流浪行星。目前，人類已經(jīng)探測(cè)到約100顆流浪行星，體積較大的約為木星的十幾倍，較小的則接近地球。
“根據(jù)現(xiàn)在的了解，流浪行星產(chǎn)生的方式可能有兩種：一種是它們本身形成的時(shí)候就只有行星本身。而另外一種可能性，就是該行星是從恒星系統(tǒng)當(dāng)中被‘拋射’出來(lái)的。”茍利軍舉例，如果一顆較大的恒星在太陽(yáng)系附近，就有可能在引力的作用下，使太陽(yáng)系最外側(cè)的行星偏離原有軌道，并最終脫離太陽(yáng)系。
《流浪地球2》科學(xué)顧問(wèn)、中國(guó)科學(xué)院物理所研究員梁文杰則提供了另一種假設(shè)：大的恒星在演化末期會(huì)經(jīng)歷一次劇烈爆炸，即超新星爆發(fā)，并拋射出大量的星際物質(zhì)。“恒星附近的行星就可能在此時(shí)被拋出原有的軌道，變成一顆顆流浪行星?！?/p>
近年來(lái)，隨著觀測(cè)技術(shù)的提高，流浪行星不斷被人類發(fā)現(xiàn)。2018年8月，美國(guó)科學(xué)家證實(shí)，一顆質(zhì)量約為木星12倍的行星在距離地球約20光年的地方獨(dú)自流浪，并不依附于任何恒星，是使用射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的首顆流浪行星。
2020年，美國(guó)和波蘭天文學(xué)家在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》撰文指出，他們借助微引力透鏡，可能發(fā)現(xiàn)了迄今已知最小的流浪行星，其“體重”約為地球的10%。
“流浪行星不發(fā)光，所以很難被探測(cè)到，它們被發(fā)現(xiàn)往往緣于一個(gè)偶發(fā)事件，所以被探測(cè)器關(guān)注的時(shí)間非常短暫，這也導(dǎo)致了目前人們對(duì)流浪行星的研究十分有限?！逼埨姳硎?，根據(jù)目前人類的技術(shù)水平，尚無(wú)法判斷流浪行星上是否有生命。
梁文杰分析，生命的存在除了需要構(gòu)成生命體的元素，例如氨基酸、碳、氫等物質(zhì)，還需要適宜的溫度?！坝钪娴难莼袝r(shí)會(huì)將一些有機(jī)物拋射到星體上，而有機(jī)物存活，需要適宜的溫度。流浪行星不發(fā)熱，也沒(méi)有恒星為其提供熱量，所以會(huì)不斷降溫，直至降低到宇宙最低溫度，這樣的低溫是很難孕育生命的?！绷何慕苷f(shuō)。（金 鳳）
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
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