人類未來(lái)歸宿在深空？

來(lái)源｜科普中國(guó)-未來(lái)耀科學(xué)

地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠(yuǎn)生活在搖籃中。所以走向深空，尋找宜居系外星球，是人類長(zhǎng)久以來(lái)的夢(mèng)想。
可是今天，我們對(duì)太陽(yáng)系和之外的世界了解有多少？人類探測(cè)器最遠(yuǎn)去到了哪里？我們探測(cè)到了多少系外行星？科幻片里的星際旅行方式，可能變成現(xiàn)實(shí)嗎？
在4月27日的科普中國(guó)-未來(lái)耀科學(xué)“空間探索”特別直播中，國(guó)家天文臺(tái)研究員茍利軍、青年研究員范舟和助理研究員趙斐，同我們一起探索更遙遠(yuǎn)的宇宙空間。

獨(dú)特的太陽(yáng)系
在茫茫宇宙中大約有數(shù)千億個(gè)星系，一個(gè)星系又包含數(shù)億顆恒星，太陽(yáng)只是其中一顆?？墒窃谀撤N程度上，我們的太陽(yáng)系卻又非常獨(dú)特。
趙斐介紹，太陽(yáng)系的行星系統(tǒng)與系外行星系統(tǒng)有很多區(qū)別。比如，在系外行星系統(tǒng)中，常見(jiàn)的往往是熱木星。熱木星是和木星相似的氣態(tài)巨行星，但軌道離太陽(yáng)特別近，比地球軌道還靠?jī)?nèi)。
我們的太陽(yáng)系則有木星，表面是明暗相間的帶狀條紋，再配合一個(gè)大紅斑，非常漂亮。木星是太陽(yáng)系最大的行星，其他七大行星的質(zhì)量加起來(lái)，還不到木星質(zhì)量的一半。而且它處在地球所在的宜居帶之外，公轉(zhuǎn)周期大概是12年，像清掃機(jī)一樣繞著太陽(yáng)運(yùn)行，會(huì)清除掉大多數(shù)試圖飛進(jìn)內(nèi)軌道的小天體，為我們的地球豎起一道安全屏障。
熱木星在系外行星系統(tǒng)中更常見(jiàn)（藝術(shù)構(gòu)想圖）｜ESA/Hubble

太陽(yáng)系的邊緣有個(gè)小黑洞？
由于冥王星被降級(jí)為矮行星，目前太陽(yáng)系公認(rèn)有八大行星?？墒?，近年來(lái)有一種說(shuō)法認(rèn)為，在遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)系邊界附近還存在一個(gè)第九大行星，那是什么樣的天體呢？
茍利軍介紹，有天文學(xué)家猜測(cè)，這顆潛在的第九大行星可能是一顆黑洞，質(zhì)量為地球的5～10倍。恒星演化到生命末期，會(huì)在引力作用下坍縮形成致密的時(shí)空區(qū)域，也就是黑洞。如果把地球壓縮成黑洞，直徑大概是1.8厘米；而黑洞的質(zhì)量與直徑成正比，可以推算出這個(gè)潛在黑洞的直徑大約是10厘米，只有拳頭大小。冥王星繞太陽(yáng)一圈需要248年，這個(gè)天體的公轉(zhuǎn)周期可能會(huì)是上萬(wàn)年，距離太陽(yáng)非常遙遠(yuǎn)，很難探測(cè)到。

太陽(yáng)系的邊界在哪里？
人類已經(jīng)發(fā)射多顆探測(cè)器探索太陽(yáng)系內(nèi)各大行星，2012年，旅行者一號(hào)更被認(rèn)為已經(jīng)飛出太陽(yáng)系。可是太陽(yáng)系的邊界究竟在哪里？飛出太陽(yáng)系要走多遠(yuǎn)？
范舟介紹，傳統(tǒng)上人們認(rèn)為，冥王星以外就不屬于太陽(yáng)系了。但事實(shí)上，太陽(yáng)系和星際空間的分界并不明確。
一方面，太陽(yáng)會(huì)吹出太陽(yáng)風(fēng)，抵抗外來(lái)星際物質(zhì)，在交界處形成日球?qū)?。很多人將日球?qū)禹?，也就是太?yáng)風(fēng)終止的地方看作太陽(yáng)系邊界。太陽(yáng)風(fēng)影響的范圍大約是太陽(yáng)至冥王星距離的4倍。
另一方面，太陽(yáng)引力主導(dǎo)的范圍可能還要向外延伸1000倍，到達(dá)奧爾特云的位置，也就是大量彗星的起源之地。
不過(guò)，奧爾特云目前只是理論猜測(cè)。要從地面上觀測(cè)遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)系邊緣非常困難，而發(fā)射探測(cè)器又需要飛行很長(zhǎng)時(shí)間，所以太陽(yáng)系至今仍有很多未解之迷。

太陽(yáng)系的邊界并不明確。圖中紅色曲線為日球?qū)禹?。｜?lái)源：NASA/Goddard Space Flight Center/CI Lab

系外行星如何探測(cè)？
在太陽(yáng)系之外，是否有像地球一樣適宜人類居住的星球？在那上面是否生存著其他生命？帶著這些好奇，人類對(duì)探索系外行星滿懷熱情。
趙斐介紹，目前人們一共探測(cè)到4000多顆系外行星，探測(cè)這些系外行星的方法主要有三種。第一種是直接成像法，目前用這種方法發(fā)現(xiàn)了50多顆系外行星。由于行星不發(fā)光，只反射主星的光，所以要直接探測(cè)比較困難，不過(guò)在一些情況下，通過(guò)遮住主星的光，可以分辨出行星的微弱光芒。
第二種是多普勒速度法，用這種方法發(fā)現(xiàn)了800多顆系外行星。其背后的原理是，如果周圍有行星圍繞，就會(huì)對(duì)主星造成擾動(dòng)，使主星產(chǎn)生周期性的速度變化，從而在光譜上表現(xiàn)為周期性的紅移和藍(lán)移。
第三種是凌星法，剩余3000多顆系外行星都是通過(guò)凌星法觀測(cè)到的。就像月亮擋住太陽(yáng)會(huì)形成日食一樣，行星周期性地圍繞主星運(yùn)動(dòng)，同樣會(huì)遮擋主星的光，觀測(cè)到這種微弱的亮度變化就可以確認(rèn)行星的存在。

星際旅行真的可行嗎？
在電影《星際穿越》中，人類為了尋找新的宜居星球，穿越蟲洞，進(jìn)行時(shí)間旅行。這樣的星際旅行真的可行嗎？
茍利軍介紹，如果能發(fā)現(xiàn)蟲洞，穿越到一個(gè)大質(zhì)量黑洞周圍，是比較安全的。但如果是太小的黑洞就不適合，因?yàn)樾≠|(zhì)量黑洞周圍潮汐力非常大，人還沒(méi)靠近黑洞，早已經(jīng)被撕碎成基本粒子了。
黑洞的中心是一個(gè)體積無(wú)限小、引力無(wú)限大的奇點(diǎn)，在這里時(shí)空極度扭曲。目前用來(lái)描述引力的廣義相對(duì)論在奇點(diǎn)處是失效的，我們對(duì)黑洞仍有很多未知，未來(lái)需要量子引力理論來(lái)描述奇點(diǎn)的狀態(tài)。
穿越到大質(zhì)量黑洞周圍或許比較安全。｜電影《星際旅行》

結(jié)語(yǔ)
宇宙深空或許遙遠(yuǎn)，但對(duì)于天文學(xué)家而言，宇宙就像是一個(gè)巨大的實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行著地球上無(wú)法實(shí)現(xiàn)的各種實(shí)驗(yàn)，比如恒星內(nèi)部的核聚變，比如黑洞周圍的極端引力環(huán)境。
奇妙的是，歸根結(jié)底，天上的規(guī)律與地上的規(guī)律是統(tǒng)一的，我們探索宇宙的發(fā)現(xiàn)最終又會(huì)反過(guò)來(lái)應(yīng)用到各種技術(shù)上，推動(dòng)我們探索未知的步伐。
如今，飛出太陽(yáng)系尚且困難重重，但相信懷著對(duì)星辰大海的向往之心，人類必將深入更廣闊的宇宙，揭開(kāi)更多宇宙奧秘。