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人类如果不想灭绝,就必须想办法离开地球|“造物者”终极三问

整理|王一苇
 
编辑|陈晓雪
 
太空飞行器为什么大多回不来?快速射电暴是外星人发出的信号吗?如何在茫茫太空中找到一颗 “流浪行星”?如果你也好奇这些问题,愿意在工作之余静下心来听听来自遥远宇宙的声音,那么 “造物者的终极三问” 系列第二场 “问道宇宙” 是你不可错过的新年放送。
 
“2021造物者的终极三问” 系列直播是《知识分子》、科学探索奖和腾讯新闻联合推出的新年特别节目。直播请来多个领域的科学家,以人作为 “造物者” 所做的科学探索为起点,畅聊其各自领域内的进展。
 
2月2日晚,三位热心科普的天文界学者,中国科学院高能物理研究所研究员张双南,北京大学科维理天文和天体物理研究所研究员、科学探索奖获奖人东苏勃和中国科学院国家天文台研究员郑永春在直播中带来了有趣、有料的分享。直播由资深媒体人阳燕主持。
 
没赶上昨晚的直播?没关系,《知识分子》为你总结了本场的主要看点。
 
“天问一号” 登陆火星,有哪些关键节点?
 
2021年,我国第一个火星探测器 “天问一号” 登陆火星是天文和航天领域的年度大事件。了解 “天问一号” 的进展,需要知道哪几个关键节点?
 
中国科学院国家天文台的研究员郑永春说,天问一号2020年7月23日发射,目前正在逼近火星。它从地球出发已经飞了4亿多公里,但因为地球也在运动,所以,天问一号与地球之间的实际距离只有1.5亿多公里。
 
接下来,“天问一号” 第一个重要节点是2月10日,也就是农历大年二十九。这一天,“天问一号” 接近火星,减速 “刹车” 后,被火星引力 “抓过来”,开始环绕火星运动。“刚抓它第一把的时候,不敢抓太重,它要欲擒故纵,我抓你一把,但是还是让你走,它会进入一个大椭圆,” 郑永春说。
 
在椭圆轨道上绕行至近火点时,“天问一号” 会再减速,经过几次调整,轨道会逐渐趋向于圆形,变成一个小椭圆,就越来越靠近火星,最终进入停泊轨道,就可以给火星“拍照”了。这些照片会回传至地球,方便科学家们研究分析,确定最终的着陆场。
 
之后,“天问一号” 要再调整轨道,郑永春说,这就像是准备推门进屋之前,要先到门口站好,“轨道调整又要有一段时间,每次你都要细细调、慢慢调,调到位之后,可以推门了。”
 
“推门” 的动作是 “天问一号” 又一重要节点,这时,航天器的轨道器和着陆器分离,轨道器还在空中飞,着陆器,也叫 “着巡组合体”,则穿过火星大气层。
 
穿过火星大气层的过程,是漫长的 “黑色七分钟”,郑永春说,它也叫“恐怖七分钟”。航天器就像流星穿过地球大气层,要经历上千摄氏度的高温,还要在过程中尽快减速,不至于撞毁,保护好精密元器件,轻轻、稳稳地落在火星地面上。
 
火星 “软着陆” 将发生在5月份。安全着陆后,着陆器会伸出一个坡道,火星车沿着坡道下来,在火星上开动。“这个过程都是离我们几亿公里,即使以光速来传播信号,通信时间也要十几分钟。” 郑永春说,这要求火星车有又快又好的自主控制能力,在设计中提前考虑和解决问题。
 
在此之后,“天问一号” 会一直留在火星上,不会返回。“让它回来,比让它去更难。” 郑永春说,返回式的航天器极少,因为航天器返回的难度极大,也并不划算,如果一个完成任务的航天器有富余的能力,一般会设计它们做拓展任务,去另外的目的地做更多考察。
 
快速射电暴是不是外星人的信号?一眼60万的望远镜给你答案
 
2007年开始,天文学家们观测到一种无线电信号,其信号宽度只有毫秒宽,非常快速,称它为 “快速射电暴”。地球上每天能收到很多这样的信号,而且有些方向上的信号会重复,有些还有周期性,但用光学望远镜和X射线望远镜望向同一个方向则接收不到信号。
主要分布在世界各地及太空的天文、粒子观测设施,地图来源:自然资源部
 
“一些脑洞大的科学家就推测,这是外星人在通信,”中国科学院高能物理研究所教授张双南说。他调侃道,天文学家按照自然规律无法解释一个天文现象时,就让外星人 “背锅”。
 
张双南的工作之一,是在绕地球轨道的卫星上架设天文望远镜,观测宇宙中黑洞、伽玛射线暴等人类还知之甚少的天体。去年一次凑巧的观测,让他的团队解开了快速射电暴的谜团。
 
一天早晨,张双南以前的一位学生给他发微信。“说张老师,有一颗磁星最近有点不安,有点活动,我们能不能看一看这个磁星。” 但是,卫星的观测计划安排非常紧张,要看额外的活动,就要改变观测计划。
 
“我纠结了一个多小时,决定看60万块钱的吧。” 张双南说,算上研制成本,卫星一天的运行价钱约为30万元,“看60万块钱”,相当于看两天。
 
“卫星望远镜指向那个天体之后,几个小时这个事就发生了,我们运气非常好。”张双南说。完成这项观测的天文卫星名叫“慧眼”,由张双南所在的高能物理研究所等团队研制,并在2017年6月15日发射。它一直在天上跑,每90多分钟转一圈。它比美国和加拿大的射电望远镜提前了8.6秒探测到一个中子星暴发的信号,而这个信号的方向和快速射电暴的信号大致是一个方向。这一发现同时进入了《科学》和《自然》杂志2020年评选的十大科学突破。
 
“我们精确确定了X射线暴发的位置就是这个中子星的位置,所以我们确定,至少这个快速射电暴是来自于一个中子星磁星。”张双南说。这也意味着这个快速射电暴并非来自外星人,因为磁星作为一颗中子星,环境极端恶劣,不可能有生命存在。
 
“引力太强了,不仅我们到磁星上根本站不起来,要趴在上面,我们的原子都要趴在中子星上面,” 张双南解释说,“外星人即使比我们地球人笨一些,也不可能待在中子星上面。”
 
如何在不到百万分之一的机会里寻找 “流浪行星”?
 
北京大学科维理研究所研究员东苏勃的一个研究方向是搜寻太阳系外的行星,并研究它们是怎么分布和演化而来的。他说,去年该领域内一个重要的发现,是天文学家观测到的太阳系外的一颗类火星行星,就是质量在量级上和火星差不多。这颗行星很特别,在它周围没有认证出任何的恒星,是所谓的 “流浪行星”。
 
东苏勃说,天文学家们预言过这种流浪行星的存在。太阳系就好像是一个和谐的大家庭,太阳是大家长,行星子女们在近乎完美的圆轨道上绕着它转。但银河系众多恒星里也可能有一些不和谐的行星家庭,行星间有强烈的引力作用,使一些行星被 “踢” 出系统,形成 “流浪行星”。“好像兄弟姐妹间闹了很大的家庭矛盾,结果有子女离家出走。”
 
有理论预言,这些离家出走的 “流浪行星” 在银河系中数量繁多。但由于其并未绕任何恒星转动,附近没有光,很难被一般观测方法发现。
 
搜寻这些流浪行星的方法,是爱因斯坦在1936年提出的微引力透镜。在一颗遥远的恒星跟我们之间,如果恰好有一颗流浪行星经过,那么根据广义相对论,恒星的光在达到我们之前会受到行星的引力影响而偏折,这个行星就好像一个透镜一样,产生聚焦的效应,这时恒星的亮度就会被放大,由于恒星,行星,和我们之间的相对运动,被放大的恒星亮度会不断变化,这就是微引力透镜现象。
 
东苏勃说,行星的质量越小,微引力透镜事件持续的时间就越短。如果是地球大小的行星,持续时间可能只有几小时,木星大小的行星则会持续一天左右,而一些恒星产生的微引力透镜事件可以持续一个月。2020年,天文学家报道了一个只持续了40多分钟的微引力透镜事件,估计这个行星的质量约三倍于火星。因为这类低质量行星一般很难被探测到,天文学家由此估计,低质量的 “流浪火星” 在银河系中可能是普遍存在的。但这一估计只是基于单个事件,需要更多数据和发现来确认。“我们的一个目标,是给银河系行星家庭做更全面的人口普查,这样可以更好地了解这些行星系统是如何诞生、如何演化的。”
 
刘慈欣的小说《流浪地球》描述了人类推动地球离开太阳系、躲开灭顶之灾的想象。听了东苏勃的分享,张双南开了脑洞:“有没有可能流浪火星就是《流浪地球》的一个版本呢?其实上面是人开着跑的。”
 
东苏勃说,目前没法排除这种可能性,但天文学家一般会先考虑自然原因,再考虑非自然因素。尽管了解行星的运动轨迹,观测其是否有反自然加速,可能可以帮助解答这个问题,但微引力透镜事件只是一次性的观测,很难测量行星加速度——除非行星再跑到另一个背景恒星和我们之间。“几率小于百万分之一,”他说,如果我们能活100万年,可能再次观测到这颗行星的微引力透镜事件。
 
每一颗流浪行星的微引力透镜事件发生机率是百万分之一,是否意味着此类研究发现行星的希望渺茫?东苏勃说,机遇总是给有准备的人。“虽然每一次它的几率是百万分之一,如果你监视100万颗星的话就会看到一个;天文学家们监视数亿颗星,一年可以看到上千个微引力透镜事件。”
 
郑永春打了个风趣的比方,这就是为什么彩票一定要每天买。
 
“如果把所有的彩票买下来,就能把所有的奖收入囊中。”东苏勃表示赞同。
 
科学研究的现实意义是什么?
 
天文学的研究给了人暂时脱离尘世的无限想象空间,但也有人会禁不住问,这样耗时耗力又耗钱的基础科学研究,对现实有什么意义呢?主持人向各位嘉宾抛出了这一问题。
 
“参加一场音乐会、看一场艺术表演有什么用?” 张双南反问道,“艺术是人类文明很重要的一部分,科学是人类文明更重要的一部分。” 一些艺术,如唐诗宋词,恒久流传,而我们今天用于阅读它们的工具和技术则是古代没有的。“这些都来自于很长期也很昂贵的科学研究。”
 
“人类对于宇宙的探索,构成了现代文明的主要部分。如果没有这些,我们和古代的人区别不大,”张双南说,“我们穿的衣服,用的技术,谈论的话题,所有这些都是科学研究带来的。”
 
他认为,科学是为人类的未来工作的,尽管没有短暂的用处,但却有长远的影响。“归根结底,人类不可能永远待在地球上,”他说,“我们如果想不在地球上灭亡,就必须要了解离开了地球之后,宇宙到底是什么,宇宙当中有没有人类的第二个家园。”
 
而在探索未来的过程中,科学也会催生一些促进社会发展的技术转化。张双南介绍,他的团队在研制望远镜过程中就和军工企业联合开发了一项X射线望远镜技术,这项技术世界领先,也为企业赚了不少钱。
 
历史上也有不少这样的先例。“Wi-Fi是射电天文学家搞出来,英特网的WWW网页技术是粒子物理学家搞出来的,”张双南说,科学家在创新过程中,往往发现工业水平满足不了需求,只能自己研制新技术。而这些技术有的就能转化为工业界的应用。
 
东苏勃说,除了少数天文学研究可以影响技术发展外,对宇宙的绝大多数研究很可能永远不会有实用价值。“我很赞同老子和庄子的一个观点,用一句话总结:无用之用,是大用也,”他说,人类精神层面需求的其中一方面就是好奇心,是对客观世界、对未知,对宇宙奥秘的探索。
 
郑永春也认为,人类的好奇心和不安全感是这个“弱势物种”最终幸存和胜出的原因。而有些研究现在看上去没用,可能只是回报周期比较长。
 
东苏勃谈到,天文学的投资并没有有些人想象中那么高。“世界顶尖的光学望远镜造价10亿人民币,其实也就是一两场年度大片的预算。”
 
但今天的天文学前沿探索,已非个人力量所能完成,而需要整个社会环境的支持。“我们所需要的尖端探测器技术,庞大、复杂的望远镜设备,甚至航天技术,都需要整个社会的资源、技术,还有人力的组织管理,集中起来才能够去支撑,”东苏勃说,“另一方面,探索宇宙,做出新发现需要的新的思维,新的想法,这些从0到1的突破跟技术突破一脉相承。一个有活力、健康、积极向上的社会,才有可能提供探索宇宙的沃土。”
 
东苏勃认为,一个社会对于宇宙探索的重视程度,标志着社会发展的程度。“在中国古代我们有最完备的超新星爆发的记录,但是过去几百年里,主要的宇宙发现都出自西方。我们中国是落后了。最近二三十年,中国的技术、经济、综合国力有了飞速发展,中华民族应该在宇宙探索方面对人类文明做出跟我们社会发展水平相称的贡献。”
 
张双南说,科学发现带来文明自豪感。目前的教科书上,中国科学家的贡献还很少。作为中国人,做出更多科学成果,才能为人类文明做出贡献,得到其他民族的尊重。
 
人类在宇宙中是否孤独?我们需要星际旅行吗?
 
宇宙中是否存在外星生命?东苏勃说,这个问题现在还没有任何确凿的科学证据予以回答,所以一切都还是基于猜测;天文学家对此意见也并不统一。
 
一派认为,由于宇宙中行星数量多,非常普遍,那么像人类这样的高等文明也应该是很普遍的;而另一派持相反意见,认为产生高等文明所需的条件非常苛刻,高等文明在银河系中非常罕见,甚至可能只有地球上的人类一个。他们的一个论据是,太阳系和地球已经存在了50亿年,如果高等文明很普遍,为什么没有发现任何外星人访问地球留下的迹象?这就是著名的美国物理学家费米提出的悖论。解决这个悖论有多种可能性,不过最重要的寻找外星生命存在的科学证据,最直接的方法是星际旅行,去访问别的行星系统。还有一种可能性,虽然高等文明罕见,但低等生命在银河系中普遍;那么在星际探测的早期,可考虑优先发展轻便的无人飞船去探索行星。如果发现这种低等生命,可以想像能帮助回答生命起源的未解问题,乃至提高生物技术水平。
 
张双南认为,探索宇宙是人类必须做的事。“地球上面的高级生命是灭绝过的……下一次再有这样的事件来的话,地球上的哺乳动物还照样会灭绝掉。那么,人类难道甘愿让我们的文明最终灭绝掉吗?”张双南说,如果人类不想灭绝,就必须想办法离开地球。
 
移民火星并非终极解决办法。太阳的演化最终会吞噬地球和火星,其他的灾难也可能毁掉太阳系。张双南认为,到火星去,只是人类很小的一步,最终要离开太阳系到更大的宇宙空间去。“今天就要开始做准备,因为你不知道灾难什么时候来。也许现在都已经晚了……但如果一直不做,那早晚是会晚的。”
 
然而,以目前人类的技术水平,星际旅行仍然无法实现。天问一号从地球到火星大概要花200天,如果以光的速度旅行,只需要几分钟、十几分钟。如果我们想在人类的寿命范围内达到其他的恒星,旅行速度需要达到光速的至少1/10。而以现在人类的技术水平,乘宇宙飞船从太阳系到比邻星需要几万年的时间。
 
郑永春说,在这辈子的时间里,我们可能会见证星际旅行,2022年可以看到中国在太空建成空间站。2030年之后,也许可以看到中国人登陆月球,而登陆火星则至少要到2040年以后,他说,“未来50年到100年之间,人类在火星与地球之间来去自如,应该差不多能够实现。”
 
“我觉得太空旅行,最终如果人类有足够的决心,是一定能够做到的。但是人类要保护地球,有相当强的自我约束能力,不能在人类走向深空之前就自我毁灭掉。” 郑永春说。
 
注:文章内容已由嘉宾审阅。



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