要想带着地球安全流浪，这份指南请收好（星球流浪生存）

2023年春节档的科幻电影《流浪地球2》凭借精彩的剧情和层出不穷的“硬科技”持续热映。它讲述了这么一个故事：为躲避太阳老化带来的灾难，联合政府实施了流浪地球计划，即不改变人类既有的生存状态，通过建造上万座行星发动机，推动地球离开太阳系，前往新家园。

作为一部以太空为背景的科幻片，《流浪地球2》自然离不开一系列天文学知识的支撑。电影中不断出现了一些与天文相关的场景，如氦闪、引力弹弓、地月洛希极限等。下面我们就整理了一份科普指南，帮助大家更好地理解影片中的一个个天文学概念和设想！

太阳氦闪，地球的终结者？

电影的背景是太阳急速老化，持续膨胀，并将在百年后发生氦闪，毁灭地球。那么什么是氦闪？氦闪真的能毁灭地球吗？这得先从太阳的组成和演化谈起。

我们的太阳已经近46亿岁了，正值中年，处在天文上所称的主序星阶段。太阳的主要成分是氢和氦，氢约占太阳质量的71%，氦约占27%，其他元素约占2%。太阳发光发热的能量来源，主要是其核心的氢在发生核聚变反应，即每4个氢核（质子）聚变成一个氦核，这也被称为质子-质子链反应。在太阳的核心处，每秒钟有约6亿吨的氢通过核聚变反应生成5.96亿吨的氦，这其中有400万吨的物质转化为了能量。太阳这样的恒星就依靠辐射出的能量对抗其自身引力，保持平衡。

太阳的质量虽然十分巨大，约是地球质量的33万倍，但它终有一天会把核心的氢元素消耗殆尽。当核心的氢元素耗尽后，核心的温度还不足以触发氦元素发生聚变，因此恒星核心在其引力作用下将发生坍缩。但这并不意味着太阳会缩小，因为坍缩后的核心会变得更热，使太阳外层的氢升温并点燃聚变反应，把外层向外推，太阳的半径将因此膨胀到现在的200倍以上，并吞噬邻近的水星、金星和地球。此时，太阳就进入了红巨星阶段。

红巨星一般会持续10亿年。在此阶段，以氦为主要成分的太阳核心逐渐坍缩，其温度也越来越高。当温度达到1亿摄氏度时，氦被点燃，大量的氦会在几分钟内完成聚变反应，同时释放出巨大的能量，这个过程就是氦闪。氦闪通常发生在红巨星的演化末期。实际上，氦闪释放的能量都被恒星本身给吸收了，我们很难在恒星的外观上观察到明显的变化。

按照目前的恒星理论，太阳还要再过50亿年才会变为红巨星吞噬掉地球。但处在主序星阶段的太阳每隔10亿年就会增加10%的能量辐射，即随着时间的推移，地球将变得越来越热。大约20亿年后，地球上的海洋就会蒸发殆尽，地球生命也将不复存在。因此，人类文明若是想长久地延续下去，在远早于太阳变成红巨星之前就必须要找到宜居的新家园，并发展出大规模星际移民的能力。

行星去流浪，卫星怎么办？

影片中，为了推动地球离开太阳系，人类给地球安装了1万多座行星发动机，让“地球号”飞船启航。但是出发前先要解决一个问题，就是陪伴我们已久的卫星——月球。人类最终启动了“逐月计划”，选择把月球“请走”，可是宇宙那么大，为什么不能带月球一起走呢？

电影里的行星发动机

抛开感情不说，是否带月球走需要考虑的因素有几点。

第一点，我们必须认识到地球生物圈非常脆弱，远比地球本身脆弱的多。据科学家推测，6500万年前一颗直径约10千米的小行星撞击在地球表面，地球安然无恙，但当时统治地球的霸主——恐龙却惨遭灭绝。为了避免类似的风险，近年来不少国家陆续开始着手组建近地小行星防御系统，防患于未然。确切地说，地球要安全流浪的关键是要避免宽度在百米以上的小行星与它的亲密接触。

第二点，由于地球与其他太阳系行星都在一个轨道平面围绕太阳旋转，地球流浪的路线必定要穿越火星、小行星带、木星、土星、天王星、海王星的轨道，以及海王星外的柯伊伯带，最后进入奥尔特云。这是太阳系的结构和形状决定的。地球每穿越一个轨道就是闯一道关卡。

第三点，地月系统长期以来保持着稳定的运行状态，月球距离地球的平均距离约为38万千米。围绕地球公转的月球在地球的引力作用下还形成了潮汐锁定现象，即月球永远只有一面对着地球，而地球也在月球的影响下产生了很多有趣的现象，比如海水的潮汐。在稳定的地月系统中，一旦突如其来地闯入一个天体，结果将是不可预知的。

对地球来说，要想带着月球一起走，就得让月球同步加速。当地球在穿越各个行星轨道的时候，中间遇到的任何小天体都可能被地月引力共同捕获。只要宽度达到1千米，这个天体就足以对地球生物圈造成严重威胁。这是带着月球流浪最主要的安全隐患。如果对月球放任自流，地球又很容易在变轨之后受到月球不可控的影响——即便不撞上月球，月球引力引发的强烈的潮汐效应也随时会给人类带来危险。

所以，为了人类的安危，最稳妥的办法还是把月球推离地球轨道。那具体该怎么做呢？就涉及到下一个问题了。

星际高速公路：引力弹弓

表面上看，让月球远离地球，是不是给月球一个垂直于地球向外的力就可以了呢？实际上并不是，在宇宙间运行的天体，其运行模式主要是受两个关键因素的影响，即受到的引力和运行速度。当围绕着一个圆心稳定运转的天体增加速度时，它的轨道就会逐渐远离它的中心天体。所以，想让月球远离地球，就要让月球加速。

那么怎么加呢？仅仅依靠人类给月球安装的3座卫星发动机是远远不够的，这时“引力弹弓”闪亮登场了。

引力弹弓是指利用天体引力获得更大速度的原理。为了简单起见，我们来举一个例子：一辆汽车以速度V1从前方驶来，这时有个调皮的熊孩子一脚以速度V2把足球踢飞，正巧与汽车迎面相撞。此时，相对于汽车而言，足球的速度为V1 V2。由于汽车的质量远大于足球，我们可以认为足球与汽车为完全弹性碰撞，没有动能损失。当足球从汽车上弹开的时候，相对于汽车的速度也是V1 V2，但此时足球相对于地面的速度为V1 V2 V1=2V1 V2，也就是说足球获得了2倍汽车速度的增量。

总结规则就是：两个物体发生弹性碰撞前后的相对速度不变。这其实就是引力弹弓加速原理的基础，但是可以利用天体引力替代弹性碰撞的效果。

苏联科学家尤里·康德拉图克在20世纪初提出了这个设想，人造航天器可以通过精密的轨道计算，故意接近大质量天体，这样就可以利用其巨大的天体引力进行加速，获得远远超过航天器推进系统所能提供的加速能力。当然，引力弹弓不但能加速航天器，而且能够对航天器进行减速，还可以改变其速度的方向。

在人类太空探索史上，引力弹弓有着非常广泛的应用。1977年发射的旅行者1号和旅行者2号探测器就依次利用太阳系巨行星的引力弹弓效应率先飞出日球层，进入到星际空间。中国的嫦娥五号探测器和天问一号火星探测器也利用引力弹弓效应进行了加速。甚至有人把引力弹弓称作是“星际高速公路”。

这不是挺好的一个办法么？电影中的人类也是这么计划的，他们就通过安装在月球上的卫星发动机让月球的轨道近地点逐渐接近地球，在合适的时机让月球突然加速从而远离地球。如果真如计划安排的这样进行也就不会引发月球危机了。月球危机的根源就来自于地月关系突破了“洛希极限”。

不可逾越的死亡之界：洛希极限

这可是“洛希极限”第二次来搞事情了。上一次是发生在地球接近木星的时候。

为什么进入洛希极限的天体会被“撕碎”？这得先介绍一下什么是“潮汐力”。

我们知道，宇宙中任何物体之间都存在万有引力，万有引力的大小与物体之间距离的平方成反比。对于一颗星球来说，另一颗星球对它的引力是不均匀的：离星球近的一面引力大，离星球远的一面引力小。以我们的地球为例，地球正对太阳的一面比背对太阳的一面受到的太阳引力要大。这个引力差就是所谓的“潮汐力”，它是使地球产生分离的力，表现为对地球两端进行拉扯——如果地球是一个柔软的气球的话，我们将会从太空中看到地球变形为一个长条形的圆棒。

1848年，法国天文学家洛希首先提出了“洛希极限”的概念。他是这样定义的：当一颗星球被另一颗星球作用后所产生的潮汐力，与它凝聚自身的万有引力大小相等时，就意味着这颗星球处在另一颗星球的洛希极限距离上。换句话说，洛希极限是一颗星球接近另一颗星球而不被潮汐力撕碎的最短距离。如果一颗小天体跑到了大天体的洛希极限之内运行，就会被大天体撕成小的碎片。

洛希极限并不只存在于理论计算中。1994年7月，人类通过望远镜目睹了舒梅克-列维9号彗星的碎片撞击木星的天文奇观，研究认为，这颗彗星很可能是在1992年7月最靠近木星时，被木星强大的潮汐力撕碎了。

月球危机发生的直接原因就是一座月球卫星发动机损毁导致月球离地球太近而突破了洛希极限。

三体人的地盘适合人类安家吗？

距离太阳4.2光年的比邻星（半人马座α星C）是流浪地球计划的最终目的地。它是一颗比太阳小且暗的红矮星，也是半人马座α三星系统（亦称“三体人的老家”）中的第三颗恒星。不过不用担心，这个恒星系统其实很稳定，比邻星距离半人马座α星A和B组成的双星系统非常遥远，并不会陷入“乱纪元”。

人类选择这颗恒星，不仅是因为它距离太阳最近，还因为它的寿命要比太阳长得多。比邻星无论从质量、体积和温度上来说，都比太阳弱小得多，因此它的核聚变非常缓慢，寿命甚至可达千亿、甚至万亿年。要知道，宇宙的年龄才138亿岁，所以红矮星可谓是“寿与天齐”了。另外，红矮星即使到了暮年，也不会像太阳那样变成一颗硕大的红巨星。

这样看来，人类还真是找了个好归宿！可事实却并非如此，因为红矮星的核聚变反应很微弱，导致它向外辐射出的能量非常少，其宜居带（能让水保持液体状态的区域）也就离恒星非常近。2016年天文学家在比邻星的宜居带内发现了一颗行星——比邻星b，它几乎是在和比邻星跳贴面舞，两者之间的距离只有水星与太阳距离的1/8。

在如此近的轨道上运行，会出现两个可怕的结果。一是行星很容易被恒星潮汐锁定——即一面永远朝向恒星，一面却永无天日；二是比邻星的脾气非常大，特别容易爆发耀斑。2017年3月，科学家曾观测到比邻星爆发了强烈耀斑，它的亮度在10秒内增大了1000倍，比邻星b因此受到的辐射，要比平时太阳耀斑爆发时地球受到的辐射高出4000倍。如此强大的破坏力，估计连三体文明也招架不住。

显然，这里并不是人类期待的世界。

茫茫宇宙中，适合人类生存的下一个家园又会在哪里呢？

2020年10月，一项根据开普勒空间望远镜的观测数据进行的新研究，估算出在银河系内至少有 3 亿颗潜在的宜居行星在围绕着类似太阳的恒星公转。它们中有些可能距离太阳不到30光年。

人类发展的源动力，是对一切未知事物的好奇心和探索精神。浩瀚的星空，带给了人类无限的遐想：我们是谁，我们从哪里来，又终将到哪里去。这个伴随着人类发展的终极命题，只有遥远的外太空会给予我们答案。在追寻这个答案的过程中，人类会迸发出更加灿烂的智慧光芒，人类文明才得以延续。

正因如此，本期为读者精心挑选了6部优质的天文科普图书。我们希望这些书籍能带你领略宇宙的瑰丽与神奇，一窥人类最原始的好奇心和以渺小之躯挑战宇宙奥秘的雄心壮志。也许注定只有一小部分人可以终生与星空为伴，但我们依然可以仰望星空，诗意远方。

如果抑制了好奇心，人类或许在久远之前就灭绝了！

每一次探索未知的时候，我们就会更深刻地了解人类到底是从何而来，又为何而生！