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    外星太空飞行计划的挑战:逃离超级地球和红矮星

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      爱因斯坦

      从太空时代开始,人类就依靠化学火箭进入太空。虽然这种方法是有效的,但是它也非常昂贵并且需要相当数量的资源。当我们寻找更有效的方法进入太空时,人们不得不怀疑其他星球上相似的先进物种(那里的情况会有所不同)是否会依赖于类似的方法?哈佛大学教授亚伯拉罕·勒布和Sonneberg天文台的独立研究员Michael Hippke在最近两篇发表的论文中都提到了这个问题。

      外星太空飞行计划的挑战:逃离超级地球和红矮星

      在一系列的论文中,Loeb教授和Michael Hippke指出,传统的火箭将很难从特定类型的太阳系外行星中逃离。图片:NASA/Tim Pyle

      尽管勒布教授着眼于外星人将从比邻星b发射火箭所面临的挑战,但他认为生活在超级地球上的外星人是否能够进入太空。“从Proxima b的星际逃离,几乎不可能有化学火箭”和“来自超级地球的太空飞行是困难的”最近发表,并分别由Loeb和Hippke教授。虽然Loeb解决了化学火箭逃离比邻星b的挑战,但希克考虑是否同样的火箭能够达到逃逸速度。

      外星太空飞行计划的挑战:逃离超级地球和红矮星

      用径向速度法描绘了比邻星b的图像,图片:ESO/M. Kornmesser

      Loeb考虑了我们人类是多么幸运地生活在一个非常适合太空发射的星球上。从本质上说,如果一枚火箭从地球表面逃逸到太空,它需要达到11.186千米/秒的逃逸速度(40270公里/小时、25020英里/小时)。同样地逃离地球绕太阳位置所需的逃逸速度约为42公里/秒(151200公里/小时、93951英里/小时)。化学推进需要一种以终端速度成指数增长的燃料质量。幸运的是,从地球绕太阳运行的轨道的逃逸速度是由化学火箭所能达到的极限速度。

      但在更暗的恒星周围的宜居带更近,这使得化学火箭从更深的引力坑中逃离变得更具挑战性。正如Loeb在他的文章中所指出的,逃逸速度是恒星质量与恒星距离的平方根,这意味着从可居住区域的逃逸速度与恒星质量成反比,达到了四分之一的能量。对于像地球这样的行星,在像我们的太阳这样的g型(黄色矮星)的宜居带内运行,这一过程非常有效。

      外星太空飞行计划的挑战:逃离超级地球和红矮星

      这张信息图比较了行星的轨道与太阳系的同一区域比邻星(Proxima b)。图片:Pale Red Dot

      不幸的是,这对于轨道低质量m型(红矮星)的类地行星来说并不是很有效。这些恒星是宇宙中最常见的类型,仅占银河系中75%的恒星。此外最近的系外行星调查发现了大量围绕红矮星运行的岩石行星,一些科学家冒险认为它们是最有可能找到可居住的岩石行星的地方。用离我们最近的恒星作为一个例子(比邻星),Loeb解释了使用化学推进剂的火箭将很难从位于它的宜居带的行星上获得逃逸速度。

      离太阳最近的恒星比邻星(Proxima Centauri)是一颗微弱的恒星,其质量只有太阳的12%。几年前人们发现这颗恒星有一个地球大小的行星,比邻星b在它的宜居地带,比地球离太阳的距离近20倍。在那个位置逃逸速度比地球绕太阳公转的轨道要大50%。在Proxima b上的一个文明将发现很难从他们的位置逃离到星际空间和化学火箭。

      另一方面,希克的论文首先考虑到地球可能不是我们宇宙中最适合居住的行星。例如,比地球质量更大的行星会有更高的表面引力,这意味着它们能够保持较厚的大气层,这将为有害的宇宙射线和太阳辐射提供更大的防护。

      外星太空飞行计划的挑战:逃离超级地球和红矮星

      一个超级地球的概念图,这个行星的质量是地球的很多倍,但还不及天王星或海王星大小的行星。图片:NASA/Ames/JPL-Caltech

      此外,一个具有更高重力的行星会有一个平坦的地形,导致群岛而不是大陆和浅海——这是一个有关生物多样性的理想情况。然而当涉及到火箭发射时,增加的表面引力也意味着更高的逃逸速度。正如希克在他的研究中指出的:火箭受到了Tsiolkovsky(1903)方程的影响:如果火箭携带自己的燃料,总火箭质量与最终速度之比是一个指数函数,使得高速(或重型载荷)变得越来越昂贵。

      相比之下,希克使用了开普勒-20 b,一个位于950光年之外的超级地球,它的半径是地球的1.6倍,是地球的9.7倍。而从地球逃逸速度大约为11公里/秒,一个试图离开类似于开普勒-20 b的超级地球的火箭需要达到~27.1千米/秒的逃逸速度。因此在Kepler-20 b上的单级火箭将需要燃烧104倍于地球上火箭的燃料进入轨道。

      为了让它更有意义,希克认为从地球上发射的特定有效载荷。为了在开普勒-20 b号上使用詹姆斯韦伯太空望远镜所需的6.2吨的有效载荷,燃料质量将增加到55000吨,大约是最大的海洋战舰的质量。对于经典的阿波罗登月任务(45吨),火箭需要大得多,达到40万吨。

      外星太空飞行计划的挑战:逃离超级地球和红矮星

      这项由突破性基金会发起的项目Starshot,旨在成为人类的第一次星际航行。图片:breakthroughinitiatives

      尽管希克的分析得出结论,化学火箭仍然可以让超级地球上的10个地球质量逃逸速度,但所需的推进剂数量使这种方法不切实际。正如希克指出的那样,这可能对外星文明的发展产生严重影响。很惊讶地发现,人类最终会在一个仍然相当轻量级的星球上结束太空飞行。

      其他文明,如果存在的话,可能就没那么幸运了。在更大的行星上,太空飞行的成本将成倍增长。这样的文明不会有卫星电视、月球任务或哈勃太空望远镜。这应该会以某些方式改变他们的发展方式,我们现在可以更详细地分析。这两篇论文都对寻找外星智慧(SETI)提出了一些明确的暗示。

      首先这意味着在环绕红矮星或超级地球轨道的行星上的文明不太可能是太空飞行,这将使探测它们变得更加困难。当涉及到人类所熟悉的推进力的种类时可能属于少数。以上结果表明,化学推进剂的效用有限,所以寻找与光或核发动机相关的信号是有意义的,尤其是在矮星附近。但对我们自己的文明的未来也有一些有趣的影响。

      外星太空飞行计划的挑战:逃离超级地球和红矮星

      一种双峰火箭概念图,使之旅到月球,火星,和其他的目的地在太阳系,图片:NASA

      这篇论文的一个结果就是太空殖民和SETI,来自超级地球的Civs不太可能去探索恒星。相反会(在某种程度上)在他们的星球上“被逮捕”,例如更多地使用激光或射电望远镜进行星际通讯,而不是发射探测器或宇宙飞船。然而Loeb和Hippke都指出,外星文明可以通过采用其他的推进方法来应对这些挑战。最后化学推进可能是少数技术先进的物种所采用的,因为这对他们来说是不现实的。

      一个先进的外星文明可以使用其他的推进方法,比如核动力或光脚,它们不受化学推进的限制,速度可以达到光速的十分之一。我们的文明正在发展这些替代的推进技术,但是这些努力还处于起步阶段。一个这样的例子是突破性的Starshot,它目前正在由突破性奖基金会(Loeb是咨询委员会主席)开发。这一计划的目的是利用激光驱动的光束加速纳米飞行器的速度,达到光速的20%,这将使它在20年的时间内到达比邻星。

      外星太空飞行计划的挑战:逃离超级地球和红矮星

      这是一颗距地球仅16光年的红矮星,图片:ESO/M. Kornmesser/N. Risinger (skysurvey).

      希克同样认为核能火箭是可行的,因为增加的表面引力也意味着太空升降机是不切实际的。Loeb还指出,行星围绕着低质量恒星所施加的限制可能会对人类试图殖民已知宇宙产生影响:当太阳热到足以把地球表面的水都烧开时,可以到那时再搬到新家。一些最理想的目的地是围绕着低质量恒星的多颗行星系统,如附近的矮星TRAPPIST-1,它重达太阳质量的9%,并拥有7个地球大小的行星。

      然而,一旦我们到达了特拉普斯-1的宜居带,就不会急于逃离。这样的恒星燃烧氢的速度如此之慢,以至于它们能让我们保持10万亿年的温暖,比太阳的寿命长1000倍。但与此同时可以放心地知道,我们生活在一颗围绕着一颗黄色矮星的宜居行星上,它不仅给我们提供了生命,也给了我们进入太空探索的能力。一如既往地,在宇宙中寻找外星生命的迹象时,我们人类被迫采取“低垂的水果方法”。

      基本上所知道的唯一支持生命的行星是地球,我们知道如何寻找的唯一的太空探索方法是我们自己尝试和测试的。因此在寻找生物特征(即具有液态水、氧气和氮气环境等)或技术特征(如无线电传输、化学火箭等)的生物特征时,会受到一定的限制。随着对生命条件的理解,以及人类自己的技术进步,将会有更多的机会去寻找。而且希望,尽管它可能面临更多的挑战,外星生命将会寻找我们!

      博科园-科学科普|文:Matt Williams|来自:Universe Today|参考:arXiv, Scientific American

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