逃離太陽系的種種「幻想」在未來人類該如何在宇宙中航行?

2021-01-19 宇宙探索百科

雖然旅行者1號已經離開太陽系進入星系空間,但這個飛行了幾十年的探測器能給人類帶來什麼呢?

帶上地球還是宇宙飛船?

作為一顆黃矮星,太陽的壽命約為100億年。目前,它已經有50億年的歷史,在50億年內,其核心的氫氣將全部耗盡,核反應開始繼續由氦聚變成碳、氮、氧等其他元素。它最終會膨脹成一個直徑超過100倍的紅巨星。如果當時人類還在地球上,將會看到整個天空充滿了太陽,屆時海洋會蒸發變成沙漠。

離開太陽系有兩種方式:一種是把地球裝上發動機(電影流浪地球的設想),讓它駛入太空;另一種是從地球發射宇宙飛船,尋找新的行星並在那裡定居。

就目前對地球的理解而言,宇宙飛船的想法顯然更可靠。儘管地球似乎有一個完整的生態系統,但巨大的發動機推力將使板塊活動變得活躍,使冷卻後的巖漿以火山的形式噴發。矽含量少、流動性強的基性巖漿將吞噬地表大部分植被。

即使有些土壤能在熔巖中生存,離開太陽後溫度的突然下降也會使其中的水分形成冰晶,這不僅宣告了種子的死亡,也宣告了相當數量的微生物和多細胞動物的死亡。更重要的是,沒有光合作用,人類很難獲得酶,生產22億噸糧食,養活70億人。

所以總體來說,最先載人飛出太陽系的很可能是宇宙飛船。因為找到一個適合居住的星球比在廢墟中重建地球的生態系統要容易得多。銀河系中有1000億顆明亮的恆星,附近總有幾顆行星。

「克卜勒-22b」無疑是一個可以提供想像力的。若干年前,參與美國宇航局克卜勒任務的科學家宣布,通過克卜勒望遠鏡,他們首次發現了一顆可能適合居住在類太陽恆星周圍的新行星,並將其命名為「克卜勒-22b」。

速度是王道

假設「克卜勒-22b」與地球一樣,有陸地和海洋,並通過大氣產生溫室效應,其表面平均溫度約為22℃。唯一遺憾的是它離我們有點遠,距離太陽系600光年。

根據現有的人造飛船,最快的「新視野」探測器(速度約為15.5公裡/秒)飛到600光年外的「克卜勒-22b」上需要大約1160萬年。甚至離我們太陽系最近的恆星,半人馬座附近,也有4.22光年遠。

但事實上,如果我們足夠快,距離不是問題。根據狹義相對論的洛倫茲變換公式,如果我們能達到接近光速99%或更高的速度,地球上的人就要等600年,但在宇宙飛船裡,當速度接近光速時

在這種情況下,距離將縮短到幾年,甚至超過十個小時,在宇宙的真空環境中,不需要額外的燃料來維持這個速度。

問題是,我們怎樣才能接近光速?上世紀50年代末的獵戶座計劃似乎給了我們方向。1958年,美國政府開始實施「獵戶座計劃」,秘密研製核動力太空飛行器。根據計劃,這艘飛船有60層樓高,搭載了數千枚小型核彈。發射後,相當於2萬噸TNT能量的小型原子彈每10秒就會在尾部爆炸一次。據計算,「獵戶座」飛船可搭載40名航天員通過航速積累,機組人員100噸的設備和食物將能在125天內往返於地球和火星之間。它的極限速度可以達到光速的1/10。

眾所周知,雖然沒有技術上的缺陷,但由於放射性粉塵的釋放會汙染地球,項目被停止了。但如果到了世界末日,我們能以毀滅地球為代價飛出太陽系嗎?答案是否定的。

即使我們提前規劃好航線,在飛船經過的航線上通過火箭將相應大小的核彈頭放置在太空中,也很難在飛船逐一爆炸時將速度積累到接近光速的水平。因為地球上的核彈主要依靠體積突然膨脹產生的衝擊波產生巨大的破壞力,但在真空環境下,幾乎不會有衝擊波,只有一定的輻射壓力,而這種輻射壓力可以通過太陽風來實現。

其實原理很簡單,就是通過巨大的風帆環繞太陽,吸收輻射壓力,達到速度積累。當然,這也會是一個緩慢的過程,一方面是因為來自太陽的輻射壓力非常小,另一方面是因為人類對加速度的承受能力有限。如果以1ɡ的加速度為基準(1ɡ相當於9.8米/秒2的加速度),那麼要達到30萬公裡/秒的光速,飛船需要繞太陽飛行一年,不算到達目的地後同樣長時間減速。

海盜式的旅程

所以在這麼長的時間裡,如何在太空飛行器中生存成為一個新的問題。理想情況下,飛船將擁有一個與地球相似的微生態系統,包括集約農業區、居民區、熱帶雨林、沙漠和其他組成部分,就像美國生物圈二號實驗所嘗試的那樣。

但是,實驗結果和島嶼生物地理學告訴我們,在太空飛行器中重建封閉的生態系統幾乎是困難的。因為島越小,滅絕的可能性就越大。其中一個重要原因是島上不能容納太多的生物個體,容易因偶然因素造成滅絕。

相反,島越小,新物種形成的可能性就越小,因為沒有太多的遺傳多樣性或太多的新生態位。除非在未來,通過先進的自動化技術和生態學知識,人類完全可以拋棄自然生態系統,讓所有的物質循環都由機器來完成。

當然,沒有捷徑。例如,我們可以利用一個開放的生態系統在宇宙飛船中生存。也就是說,他們像太空海盜一樣,派小宇宙飛船一路航行,一路掠奪資源。大約百分之一的已知外星行星含有水、水蒸氣或冰。如果能找到這些「基本物質」的充足來源,那麼我們的海盜只需要提供一套完整的工農業生產體系,而不是整個生物圈。

但這樣做的風險在於,很難保證掠奪的穩定性。因此,雖然被稱為掠奪,但人類仍然需要一個小規模的生態系統和足夠強大的物質循環能力。也就是在行星群之間穿梭,收穫資源的同時,將廢棄物排放到地球上,等待其自然循環。我們應該確保向地球反饋足夠的物質,確保排放的廢物不會引起地球本身大氣結構的劇烈變化(例如,氧氣不能大規模排放到還原性大氣中),確保持續不斷的危險物質(如長半衰期核廢料)不會大規模排放到地球上,確保某些星球不會被過度掠奪等。

從這個角度看,距離太陽約180億公裡的「旅行者1號」攜帶著用55種語言記錄的人類問候和各種音樂的記錄,它不僅是第一個離開太陽系的人造物體,而且可能是最優雅的一個。

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