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小蜜蜂

太阳要熄灭时,人类可以做些什么?



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我不想来烂大街的扯科幻,还是基于现实探讨一下。

随着太阳的逐渐膨胀,大约10亿年后地球就会因为太阳膨胀而升温逐渐变得不宜居住,当核心的氢耗尽,用氦聚变膨胀成红巨星后很可能会把地球吞没。同时不停的吹出各种气体,从外侧的氢到氦聚变产生的碳、氮、氧等元素。形成美丽的行星状星云,当太阳把大部分物质吹走后形成一颗白矮星,最后慢慢冷却变成黑矮星,这才是真的彻底熄灭,不过那需要很长时间大约一千万亿年。

那人类怎么办?大气可以带来保暖的温室效应,也能产生隔热降温的逆温室效应,未来人类完全可以通过地球工程来遮挡部分太阳的能力为地球延长宜居时间,当然不可能一直续下去。毕竟太阳的膨胀是难以阻挡的。很多人第一想法是恒星际移民跑路,其实就是没掌握恒星际飞行技术。太阳系内有很多天体可以延续人类文明。木卫四、土卫六、海卫一等都富含水、有机物、氮等生命所需物质,个头也都不小,特别是前俩的个头跟水星差不多。

太阳的膨胀会使这些寒冷冰封的天体逐渐变的温暖起来更适合人类开发居住。有的人可能会说火星、木卫二、木卫三呢?当太阳膨胀成红巨星时虽然不太可能把火星也吞没,不过也会让火星变成熔岩横流的地狱。木卫二、木卫三在木星磁场俘获高能粒子产生的强辐射带内,会给人类健康带来很大问题,也会损害电子设备。

小行星例如主带小行星、木星特洛伊小行星群也适合取材建立大量的巨型太空城市,和那些巨行星的大型天然卫星一起安置地球难民。更遥远的天体例如海王星特洛伊小行星、柯伊伯带(例如冥王星)、离散盘甚至奥尔特云天体也都有开发利用价值。只要有冰就不用担心能源问题——从水中分离氢的同位素氘用作聚变燃料,而那些天体的水、有机物都非常丰富。至于半人马族小行星和彗星,因为轨道的偏心率太高,可能不是适合居住的环境,但上面的水、有机物等还是有开发利用价值。

当然在太阳系其他天体延续文明还是太苦逼了,能活下去但还是不舒服毕竟太阳红巨星阶段结束会变成暗弱的白矮星,最好的办法还是另请高明,找一颗比较近而且安全的恒星来更好的生活。如果物理学(曲速或者其他突破光速的方式)、生命科学(人工冬眠延长寿命)还没重大突破。那唯一可行的可能就是星际方舟——世代船了。未来用核聚变推进达到10%光速没问题(请搜索代达罗斯计划),考虑到工程难度和抵达目的地减速入轨也要速度增量,不能向代达罗斯计划里的探测器直接飞掠而过。所以5%光速可能更稳妥。

世代船可以专门设计,也能像科幻里的那样用已经内部挖空殖民的小行星改造。我个人觉得专门设计建造更好,因为小行星会带来很多死重,就会降低有效载荷。那世代船会有多大?我个人觉得出于辐射防护和人口种群稳定、避免近亲繁殖、提供足够大足够舒适的生活空间的考虑,世代船宜大不宜小。连同推进剂在内的满载质量很可能突破1亿吨大关,因为推进剂跟辐射屏蔽都不轻,至于尺寸,这视具体推进方式和栖息地构型而定,长度很可能500米以上,甚至可能超过3000米,而直径很可能超过800,这是因为旋转产生模拟人工重力如果半径小就得转速高,而转速高就会导致不适,要生活多代人而不是短暂的出差必须强调舒适健康,于是飞船直径就会不小。而长度离引擎越远越好,毕竟核聚变的高温会产生X射线等辐射,拉开距离有利于辐射防护。巨型飞船如同建造太空城市一样用小行星资源建造在轨道组装。每艘携带数万人经过几百年的航行抵达另一颗恒星。当然这对社会学是很大的挑战,避免上百年的漫长航行里因为内乱等人祸而毁于一旦。

下面两张图仅供参考感受

那么选哪颗恒星作为目标呢?大家第一想到的肯定是最近的Alpha Centauri,包括比邻星。然而不幸的是那是一个复杂的三星系统,会给人类的居住带来麻烦。看起来距离最近的不等于最好的,那么应该选哪颗恒星呢?我个人觉得K级光谱主序星最适合人类考虑,K型主序星又被称为橙矮星(太阳是G型主序星——黄矮星),K型星比G型星质量更小、更暗但是主序星阶段寿命还长的多——大约最多可达G型星的3倍(300亿年),同时紫外线辐射更小(晒太阳再也不用担心皮肤癌),K型主序星数量也比G型星多。有人会说M型主序星,也就是红矮星呢?M型主序星寿命是特别长,然而个头小、太暗、发光颜色太红让地球生物不舒服,容易让人觉得很压抑。同时宜居带(水能保持液态的区域)贴近恒星本身,这导致容易被恒星的引力潮汐锁定——行星自转周期和公转周期同步,正面永远面朝恒星,这不但没日夜循环,还会带来巨大的温差和极其猛烈的风暴,显然不适合人类居住。更重要的是不少红矮星还是耀斑星(Flare star),经常发生强烈的耀斑活动,耀斑爆发(太阳风暴)带来强烈X射线和带电粒子流,这对生命自然不是好事还会损害电子设备。因此红矮星系统生活并不舒服。只有K型主序星寿命长、舒适又安全。

现在确定恒星类型了,那具体选哪些目标呢?我觉得波江座的天苑四(Epsilon Eridani)可能是首选。这是一颗K2V型主序星,距离太阳系10.475光年,质量是太阳的82%。已经发现有2条小行星带、2颗未彻底确认的行星、一个尘埃盘。就算宜居带未发现类地行星,那些小行星的资源也能为人类所用,在小行星、太空栖息地活下去。如同大洋洲群岛里的波利尼西亚人。用5%光速航行考虑到加减速也不到300年能抵达。至于移居的新恒星寿命到了怎么办?如果技术还没重大突破就故伎重演,一步步迁徙。

要务实,那些层出不穷的所谓“第二地球”看起来很好,但除了距离远之外还有一个难以解决的问题——地外生化污染问题,由于环境适宜地球生命居住,当地土著微生物可能会危害移民的地球生物特别是人类的健康,那可能比埃博拉病毒还凶猛。地球带去的微生物同样也会危害当地生物圈。最终是毁灭性的两败俱伤。当然人类未来技术的发展可能会使得把不宜居的行星改造的适宜居住成为可能,那个扯远了。在此我顺便提一下,火星永远无法地球化、适宜人类直接生活,因为除了磁场问题外缓冲气体很重要,火星有大量的二氧化碳但是氮比较少。火星通过升华冻结的二氧化碳让大气稠密起来,气压升高、温室效应变得温暖后因为大气成分绝大多数是二氧化碳,就是大量植物产生足够的氧气后依旧无法让人类直接生活,因为二氧化碳浓度高会导致人类中毒死亡。二氧化碳无法取代氮作为缓冲气体。火星只能改造的适合植物,方便露天种田,毕竟植物不会二氧化碳中毒。

有很多人吐槽说几亿年后人类会有难以想象的科技,以当下的知识去揣测几亿年后的人类是很可笑的。问题是谁也不知道未来会有什么新发现、新突破新黑科技。比起奇幻一样的胡扯乱开脑洞,我觉得还是基于现有的情况去推测更有意义。何况人类文明并非一直进步,常有停滞不前甚至大开倒车的情况,例如伯罗奔尼撒战争雅典斯巴达战胜、罗马帝国亡于蛮族入侵、蒙元灭宋等等等。

评论里有人讨论白矮星的宜居性,能否在太阳变成白矮星后依靠白矮星的能量继续生活?我觉得这个问题有在主贴里说一下的价值。

首先白矮星能量微弱,宜居带必然会离白矮星很近,如果有行星必然会被引力潮汐锁定,一面永远白天另一面永远夜晚,产生极大的温差乃至因温差而产生的强烈大气对流或者说是猛烈的风暴。引力带来的麻烦还不止于此,强烈的潮汐力除了潮汐锁定外还会带来潮汐摩擦,产生极其强烈的地热。遍地超级火山喷个不停的木卫一就是最好的例子,可想而知到处火山喷发熔岩横流、整天地震的星球是不宜居的。

除了引力外第二大障碍是强磁场,根据有关研究。同一颗恒星其白矮星阶段的磁场比主序星阶段强10倍。一般为2–250兆高斯,有10%的白矮星有更强的磁场,强度能突破400兆高斯。那么强的磁场对生物健康和电子设备有影响外,更致命的是会俘获宇宙射线的高能粒子形成辐射带。关于这个请参见范艾伦辐射带,磁场俘获的高能粒子辐射带的威力有强?木星磁场辐射带里的木卫一电离辐射强度3,600rem/天,人类在这样的环境里活不过2天就会死于急性放射病。白矮星的磁场强度不知道比木星强到哪里去了,自然俘获的宇宙射线高能粒子更多更强,电离辐射强度只会高得多。白矮星的宜居带又近,毫无疑问别说对人类,就是电子设备包括机器人也承受不住如此强的电离辐射。当然白矮星的强磁场能够俘获宇宙射线高能粒子和其他物质反应产生的反质子,目前研究表明地球磁场就有微量反质子,在白矮星的强磁场下俘获的反质子也会多得多。这意味着什么?反质子加上正电子就是反氢原子,而正电子人类已经能轻松制造,已经用作医学里的正电子发射断层扫描。反物质的价值就不用多说了。

格利泽710这颗恒星距离62.3光年,正在朝太阳系运动。将在135万年后掠过太阳系的奥尔特云,最接近时的距离仅有9000-13000AU(0.14-0.2光年),更棒的是恰好是一颗K级主序星,这无疑也是提前跑路的天赐良机!虽然目前格利泽710没有发现行星,不过有小行星、矮行星、彗星级天体也够人类文明延续的了。如果连矮行星、小行星、彗星都没有那也好办。由于奥尔特云小天体多,是太阳系长周期彗星的大仓库,还有不少小行星,可能还有一堆矮行星。所以部分人类可以迁居到轨道和周期恰好跟格利泽710路径相交或者近似的小天体上,确保能进入格利泽710的希尔球(引力主导范围),然后守株待兔坐等被这颗恒星俘获。当然可能需要适当的轻微改变天体的轨道。虽然某小说里把地球加速到5%光速恒星际飞行是极其荒诞可笑的。然而人工改变小行星轨道却是一直在研究的严肃问题。当你有能力迁居到奥尔特云时,轻微的改变大型小行星甚至矮行星轨道不是什么问题。奥尔特云天体的挥发物例如冰、甲烷、氨、氮多,可以作为核聚变的加力推进剂来增强推力。到时候很可能在轨道适当的天体上提前进行相对小幅度的变轨(我觉得速度变化可能不超过5千米/秒)就足以进入能被路过的格利泽710俘获的新轨道。

根据这个公式计算器的计算结果,质量为太阳60%的格利泽710在距离太阳9000AU时引力主导范围半径为5263.2AU,如果距离13000AU那格利泽710的引力主导半径为7602.4AU,很容易俘获太阳系奥尔特云天体带走。

再次强调,比邻星的问题关键不是轨道,而是红矮星本身的光照强度的光谱(太红)以及潮汐力(要足够温暖得靠近,靠近了潮汐力影响明显)、耀斑危害问题。当然还有多星系统里的日夜循环影响问题。

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