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《流离地球》里的迷信秘密

泉源:眺望智库 | 作者:木辛君 | 工夫:2019-02-11 | 责编:于京一

 本文作者:木辛君 清华大学航天航空学院工程力学系在读博士,中国科幻银河奖/星云奖获奖作者

本文考核:刘慈欣,初级工程师,科幻作家,中国作协会员,小说《流离地球》作者、影戏监制

实际中,“流离地球”真的大概产生吗?明知接近木星有伤害,为什么地球还要走这条路?

带着种种疑问和思索,让我们一同恶补,配合走进迷信的秘密!

“氦闪”是什么征象?

太阳会不会熄火?

从恒星的演化纪律下去讲,太阳是会有熄火的那一天,不外是在迢遥的50亿年之后。简朴来讲,当太阳焦点中的氢熄灭殆尽,天生的氦元素在引力的作用下坍缩,开释的能量进一步降低温度,扑灭焦点四周的氢壳层,然后太阳敏捷收缩,成为一颗红巨星。

有实际以为,太阳演化天生的红巨星十分宏大,最远可以或许收缩到地球轨道。如许,水星、金星和地球都市渐渐坠入太阳而扑灭。实在,早在太阳吞噬失地球之前,地球上的陆地早已被收缩的红巨星烤干,生命不复存在。

▲ 图注:太阳从降生到收缩为红巨星的历程。

▲ 图注:太阳从降生到收缩为红巨星的历程。‍

氦闪是产生在质量介于0.5倍到2倍太阳质量的恒星演化末期。当焦点处的氢熄灭殆尽,构成的氦聚集在焦点处,氦不停积聚自我紧缩,密度增长到肯定水平构成“简并态”,处于简并态的物质靠简并压(一种量子力学效应)支持着本身重力,而非靠热压力支持。焦点处的氦的自我紧缩,还会让温度降低,但是简并态物质有一个稀罕的特性:温度降低并不会招致其产生热收缩,也就不会吸取热量,并且简并态物质的热传导性十分好,当温度一起飙升至1亿度时,氦就受不明晰,产生剧烈的热核熄灭,短短几分钟就把焦点6%的氦元素酿成碳元素。对付太阳质量的恒星来讲,氦闪开释的能量相称于太阳熄灭3000万年。

但是,据盘算,云云宏大的能量并不会对红巨星的表面形成什么可观察的影响,由于这种能量开释产生在恒星的深处,宏大的能量开释让热压力凌驾简并压,焦点物质离开简并态而收缩,大部门能量都泯灭在驱动焦点物质收缩当中,剩余的少部门能量被厚厚的外壳吸取。现实上,并不会产生影戏中看到的猛烈情形。

简朴总结一下氦闪的历程:氢熄灭酿成的氦物质聚集在太阳焦点,焦点的物质越来越多,然后产生紧缩温度降低,但焦点的物质处于简并态,温度的降低并不克不及使其主动制止紧缩,温度会越来越高,当跨过1亿度的门槛时,就产生了剧烈的爆炸式氦熄灭,数分钟内就把可以或许熄灭的氦酿成了碳。但氦闪开释的能量都被太阳自己吸取,外貌竟然看不出外部产生了什么。

质量小于0.5倍太阳的恒星没有充足的本领产生氦闪,而质量大于2倍太阳的恒星,产生的是稳固的、温顺的氦熄灭,无需产生氦闪。猎户座中台甫鼎鼎的“参宿四”便是一颗质量是太阳10倍的红巨星,焦点正在产生氦安稳熄灭酿成碳的历程。对付恒星的演化而言,质量险些决议统统,固然还要思量其金属品貌。

▲ 图注:位于猎户座之肩的参宿四,这是一颗焦点正在熄灭氦的红巨星。要是把这颗恒星放在太阳的地位,外貌乃至可以触达木星轨道。

▲ 图注:位于猎户座之肩的参宿四,这是一颗焦点正在熄灭氦的红巨星。要是把这颗恒星放在太阳的地位,外貌乃至可以触达木星轨道。

为什么要去木星?

故事配景是如许的:太阳连忙老化,不停收缩,太阳系曾经不得当人类生活,于是人类为本身选了一个新的故里——比邻星(半人马座三星)。

▲ 比邻星同太阳一样,都是恒星,但质量只要太阳的八分之一

▲ 比邻星同太阳一样,都是恒星,但质量只要太阳的八分之一

地球是个庞然大物,半径6371公里,重达59万亿亿吨。但人类造出了异样巨大的行星发起机,足以在5年左右将地球推进到逃逸速率(离开太阳引力的最低速率)。

但这个速率还远远不敷。比邻星(半人马座三星)间隔地球4.3光年,要是根据逃逸速率飞行,必要7.7万年才气抵达,这着实是太漫长了!

纵然行星发起机继承加快,到达光速的百分之一仍旧不行行。于是人类想到了借助木星的“引力弹弓”,令地球零斲丧转变偏向、提拔速率,末了抵达比邻星。

那为什么行星发起机不克不及加快到百分之一光速呢?这是由于行星发起机的能量来自“重元素聚变”。

重元素聚变有什么限定?

所谓重元素聚变并不是什么特别玩意儿。在宇宙深处有不少恒星“巨无霸”,外部就在举行偏重元素聚变。

重元素聚变的质能转换服从是相称低的。最悲观预计,地球要到达逃逸速率,也必需烧失7亿亿吨的石头,相称于把环球的空中挖失40米做为燃料;要到达光速的百分之一,则必需削去地壳的一半。

要是无法靠本身的气力推进地球,那就借助精良的轨道盘算,使用地理标准的气力——万有引力。于是人类将眼光投向木星。

木星的引力弹弓是怎样回事?

航天中存在引力弹弓征象,使用它,可以令航天器零斲丧低转变偏向、提拔速率,投递目的轨道。

引力弹弓一样平常产生在一对分量相差悬殊的天体之间。这里我们用木星(赤色球)和地球(蓝色球)举个例子,如图a和图b所示。

地球以速率V接近木星,而木星在轨道上以速率U运转↓↓↓

▲ 图a:引力弹弓的表示图

▲ 图a:引力弹弓的表示图

充足接近后,地球被木星引力捉住,牵引,优雅地转体半周,然后像掷铁饼那样甩出去↓↓↓

下载

▲ 图b:引力弹弓的表示图

▲ 图b:引力弹弓的表示图

谢谢木星甘当人梯的贡献精力,地球得到了木星的轨道速率U,叠加上原有的速率V,速率增长到了U+V。地球的速率和能量都增长了,却没有斲丧任何燃料,就奔着新故里去了。

但要是变轨时离一颗巨行星太近的话,这趟“旅行观光”可就要不怎样痛快了。

接近木星时,发起机为何大批熄火?

本地球接近木星时,人类忽然遭遇了宏大危急:数千台行星发起机妨碍熄火了,环球地动,火山发作,岩浆淹没了地下城……

▲ 图中红线部门为长城

▲ 图中红线部门为长城

为什么几千台发起时机同时熄火呢?为什么地动、火山都赶在这个时间来凑繁华呢?这统统劫难的泉源是“洛希极限”,简朴说便是地球离木星太近了,太近会产生什么呢?

凌驾洛希极限会产生什么呢?

洛希极限(Roche limit)是地理学中的一个特别的间隔。当两个天体的间隔少于洛希极限时,它们就偏向于被“潮汐力”撕碎。

盘算评释,地球和木星的间隔要是低于10.3万公里,那么大气就会在潮汐力的作用下离开地球;要是间隔低于7.44万公里,那整个地球都市被撕碎。

潮汐力有多可骇,我们拿一个茶壶和茶杯举例子:

▲ 图c:用来演示潮汐力的茶杯

▲ 图c:用来演示潮汐力的茶杯

我们在杯壁顶部倒一些水,让它在重力作用下向着杯底滑落。越接近杯底,水点会越拉越长,末了被拉扯到了扯破的极限。这个极限就可以被以为是这个茶杯对水点的“洛希极限”。

木星的引力场,现实上便是如许一个“茶杯”。地球尺寸很大,当它接近木星时,离木星较近一侧遭到的引力,将比力远一侧大得多,因而会像水点一样被渐渐扯破。

《流离地球》影戏中,地球曾经抵达了地木“流体洛希极限”(地木间隔10.3万公里)。在此处,液体和睦体不再能被地球引力约束,而偏向于逃逸;而岩石还委曲能依附本身的硬度对峙一下子↓↓↓

▲ 图d:地木流体洛希极限模仿(二维简化模子)

再接近木星一点,地球将进上天木“刚体洛希极限”(地木间隔约7.44万公里)。在此处,就连坚固的岩石都市被引力差撕碎,地球将彻底崩溃↓↓↓

▲ 图e:地木刚体洛希极限模仿(二维简化模子)

可以想象《流离地球》中,人类面对的是怎样的挑衅:太接近木星不可,那样会被潮汐力撕碎;太阔别木星也不可,那样无法借助引力弹弓变轨。

流离地球的目标地——比邻星

稍有地理知识的人都晓得,间隔太阳系近来的恒星是“比邻星”,只要4.2光年,4.2光年对付我们来说也是宏大的空间标准了,要晓得1光年约莫即是9.5万亿公里。

▲ 图注:该图刻画了比邻星恒星体系中三颗恒星的干系,及在比邻星四周发明的一颗行星。

▲ 图注:该图刻画了比邻星恒星体系中三颗恒星的干系,及在比邻星四周发明的一颗行星。

比邻星地点的恒星体系实在是包罗了三颗恒星。三颗恒星肉眼是无法离开的,看起来就像是一颗恒星。由于这三颗星是半人马座最亮的星点,因而称为“半人马座α”星。半人马座α星是由两颗太阳大小的恒星互相围绕公转,外加一颗绝对间隔较远的“比邻星”构成。这个恒星体系也是刘慈欣《三体》小说的切入点。现实上,如许的三体体系是稳固的,不会呈现《三体》中所形貌的“恒纪元”和“乱纪元”。

在2016年,欧洲南边露台发明一颗行星围绕比邻星公转,该行星间隔比邻星约0.05个地理单元(750万公里),质量相称于地球的1.3倍。令人高兴的是,该行星大概处于比邻星的宜居带上。“宜居带”是指行星间隔恒星远近符合的地区,在这一地区内,恒星通报给行星的热量适中,既不会太热也不太冷,可以或许维持液态水的存在。但由于比邻星是一颗红矮星,能量输入不太稳固,每每有大的发作征象,大概并不得当生命在其四周生活。

比邻星不停是人类假想的星际飞行的首选目标地

2016年4月12日,闻名的俄罗斯投资人尤里·米尔纳宣布了“打破摄星方案”。霍金还亲临现场为该方案站台助势。

▲ 图注:“打破摄星”方案的光帆飞行器必要微弱的空中激光阵列供能。

▲ 图注:“打破摄星”方案的光帆飞行器必要微弱的空中激光阵列供能。

该方案假想在空中上设置装备摆设激光阵列,然后使用激光孕育发生的光压推进极薄、极轻的光帆高速进步,在200万千米的间隔上完成加快历程,并使光帆的速率到达光速的20%!以如许的高速奔向离太阳系近来的比邻星地点的恒星体系仅需20年。

光帆携带一个厘米大小的芯片,小小的芯片下面集成有核电池、微处置惩罚器、导航体系、通讯体系、以及高清相机等等,真可谓是“麻雀虽小,五脏俱全”,是一枚真正的探测器。为了节省加快能量,光帆和芯片的质量限定在克量级。光帆和微芯片的组合体可以成群地运转在地球轨道上,等候激光阵列的加快一个个奔向深空。

固然,这个保守的假想给以后人类的科技程度提出了很大的挑衅!激光器的一连输入功率要求为100吉瓦(1亿千瓦),相称于五个三峡水电站的输入功率。如许强盛的激光对光帆来说的确是噩梦,在蒙受极大光压的同时,还要蒙受极高的温度。抵达目的后,微芯片探测器想要把信息发回4.2光年之遥的地球并吸收难度极大,由于芯片的发射功率着实无限。

宇宙中还真有流离行星

从影戏回到实际中,迷信家还真发明宇宙中有流离行星(Rogue planets),如许的行星不从属于任何恒星。年头,清华大学毛淑德传授担当采访时表现,可以使用“微引力透镜法”探测流离行星。简朴来说,微引力透镜是指当有未知天体颠末配景恒星时,天体的时空弯曲效应就会忽然增亮配景恒星的亮度。

流离行星的构成有多种缘故原由,质量较大的大概是像恒星那样独立构成的,比方有许多行星的质量曾经迫近褐矮星的水平。有些大概是中间恒星产生超新星爆炸,行星被打击到宇宙空间。

另有一些大概是在恒星体系构成的历程中,被其他行星的引力互相作用抛出去的。自从牛顿发明万有引力定律表明了行星活动以来,迷信家就发明,由于恒星体系是多体互相作用,实在是一个混沌体系,恒久来看活动是不行预测的,有一种大概便是某颗行星会被抛出太阳系。

另有一种更精美的环境,当恒星被黑洞吞噬的时间,其携带的行星有大概被抛射出去,构成速率极快的流离行星。

更脑洞的环境便是大刘刻画的被初等伶俐生命驱动,在宇宙中探求探求符合故里的流离行星。

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