宇宙中能量傳遞的紐帶:引力彈弓,幫地球去流浪

2020-12-06 騰訊網

「我沒有見過黑夜，我沒有見過星星，我沒有見過春天、秋天和冬天。我出生在剎車時代結束的時候，那時地球剛剛停止轉動。」由劉慈欣小說同名小說改編的國產首部硬科幻巨作影片《流浪地球》可謂是在春節檔出盡了風頭。

「流浪地球」到底是什麼？簡單說，這是一項龐大的星際移民計劃，將延續2500年，跨越5個時代。

製圖：龔薇

影片中描述的「流浪地球」計劃，地球在巨大發動機的推動下逃離太陽，飛往最近的恆星——比鄰星。但地球是個龐然大物，平均半徑6371公裡，質量超過59萬億億噸。要讓它脫離太陽引力，只靠人造發動機還不夠，於是電影裡讓它藉助木星的「引力彈弓效應」。

來源：科普中國

當地球靠近木星時，會被其強大的引力吸引，從而加快行進速度。由於木星也在繞太陽公轉，在天體的互相影響中，最後地球會被木星像拋球一般拋出去，從而達到脫離太陽系所需要的速度。

來源：科普中國

引力彈弓效應，簡單來說就是利用大質量天體的引力為太空飛行器加速。

來源：科普中國

根據能量守恆定律，能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量不變。

現在問題來了，如果遵循這個定律，那麼太空飛行器的飛行就成了一個看起來完全對稱的過程，那還加個什麼卵速度，太空飛行器當場就拋錨了。所以，要想最終實現加速，就需要外界能量的輸入。

拿影片中的木星為例，其軌道半徑約為5.2個天文單位，公轉周期為11.86年，公轉方向的線速度為13km/s。極端情況下地球通過引力彈弓獲得的速度增量可以達到兩倍木星速度，即速度增大26km/s，這個速度的增量是非常可觀的。在宇宙中，質量就是王道。試想一下這樣一個質量達地球300多倍的宇宙巨怪，以這樣的速度呼嘯而來，其能量足以讓整個銀河係為之一振，這樣的動能將是多麼恐怖的存在。

如何利用這個能量呢？這時引力就成為了能量傳遞的紐帶。當太空飛行器接近行星時，只要以合適的速度和方向進入行星的引力範圍，不至於撞上行星或被行星俘獲成為衛星，引力就會成為一隻手，將太空飛行器加速甩向更遠的深空。這個過程以太陽係為參考，太空飛行器的速度就不再是能量守恆的對稱速度，而是以0加速到了行星公轉速度的兩倍（最理想狀態）。「流浪地球」計劃裡，地球就是這個要被甩出去的「太空飛行器」。

旅行者一號

引力彈弓的運用最成功的莫屬旅行者一、二號。兩個探測器經過精密的計算，在光顧外圍行星的同時，也藉助它們的引力向下一個目標進發。NASN利用176年一遇的行星幾何排列時機進行發射，旅行者號只需要用極少量燃料用修正航道，其餘時間均可藉助各個行星的引力進行加速。這樣一來，一個探測器就能造訪4顆氣體行星（木星、土星、天王星、海王星），而兩個探測器造訪4顆行星也只用12年，一般情況下，這需要30年。

旅行者二號

當旅行者一號飛躍冥王星軌道時，第一次將鏡頭對準了地球，拍下了在浩瀚宇宙中的地球。我們現在對於太陽系外圍行星的認知，就是來自如旅行者一號一般的太空飛行器們。

就像大航海時代的風帆動力，引力彈弓也推動著人類駛向無垠的太空。最後拿電影中小編最喜歡的一句話結尾。

「無論結果如何，人類的勇氣和堅毅，都被鐫刻在星空下。」

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