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人类能离开本超星系团吗?

2020-09-01  大科技杂...

人类一直不停地更新着对世界的认识。在古代,人们曾认为自己是世界的中心,而太阳围绕着地球旋转。后来,人们渐渐发现了,地球不过是太阳系中的一颗行星,再后来,人类又逐渐有了银河系的概念。现在,我们已经知道了,人类在宇宙中渺小如星尘,从地球、太阳系到银河系,一层套着一层,并最终属于本超星系团,它和其他众多的超星系团一起组成了宇宙。

巨大的本超星系团

银河系虽然巨大,但也只是宇宙中的众多星系之一。银河系隶属于一个由大约50个星系组成的星系群,仙女星系、银河系和三角座星系是其中最庞大的三个成员,这个星系的大集合就叫做本星系群。在本星系群中,只有仙女星系和银河系的体积相当,其他的星系体积都要小得多。距离银河系最近的两个邻居分别是大麦哲伦星云和小麦哲伦星云,它们的大小只有银河系的十几分之一。对比太阳系1光年的直径,银河系的直径在10万~20万光年之间,本星系群覆盖着一块直径大约1000万光年的区域。

本星系群也并不特殊,它只是众多星系聚合体中的一个,附近还有一个更大的星系团——室女星系团,这个星系团囊括了数千个星系。实际上室女星系团与我们所在的本星系群同处于一个更大的集团之内,这个集团被称作本超星系团(或称室女座超星系团)。

本超星系团由本星系群、室女星系团、大熊星系团以及其他50来个较小的星系团和星系群构成,它们共同构成了一个巨大的扁平状天体系统,整个本超星系团的直径约在1亿~2亿光年之间,但这比起许多其他超星系团来,并不算很大。

如果我们将宇宙比作是一个游泳池,那么本超星系团只有一个苹果那么大,本星系团就像一粒豌豆那么大,而银河系大概还比不上芝麻那么大。

根据爱因斯坦相对论,有静止质量的物体的速度不能超过光速(30万千米/秒),所以宇宙飞船顶多实现亚光速航行(飞船速度极其接近光速,但达不到光速),在这种情况下,飞船要飞行1亿~2亿年才能离开本超星系团。2亿年相对于地球来说,是相当长的一段时间,但相对于整个宇宙的年龄来说,还不算太久。

航天器能走到哪?

当我们在地球上发射一架航天器的时候,发射速度十分重要,因为它决定了航天器能够到达的位置。

历史上,速度最快的航天器是1974年美国和德国联合发射的太阳神1号探测器(用以研究太阳活动),它的速度曾达到了96.2千米/秒。不过,2018年,美国宇航局发射了帕克号太阳探测器,它的最大速度达到了195千米/秒。但是这样的比较不公平,因为向地球轨道以内发射的航天器可以借助太阳的引力获得加速,而航天器向地球轨道以外发射需要克服太阳引力的拖曳。

在人类向外发射的航天器中,2016年,朱诺号木星探测器进入木星轨道时,它相对地球的最高速度曾达到75千米/秒,当然它所获得的最高速度也有木星引力的功劳。如果只考虑从地球发射时的速度,最快的航天器是新视野号。2006年,新视野号的发射速度为16.26千米/秒,与第三宇宙速度非常接近,不过,它现在的速度降到了14.25千米/秒。

另外,目前只有4个探测器飞出了以柯伊伯带为准的狭义太阳系。其中最远最快的是旅行者1号,它于1977年9月5日离开地球,在飞离太阳系的途中,借助了木星和土星的帮助,目前对太阳的速度为16.77千米/秒。它现在距太阳112天文单位(地日距离),约0.001771光年。其他3个探测器分别是旅行者2号、先驱者10号和先驱者11号,它们虽然也飞出了狭义太阳系,但无论是在速度上还是距离上都比不过旅行者1号。

通过对比上面的数字,我们可以看出,现在航天器的飞行速度连第四宇宙速度(第四宇宙速度是指在地球上发射的物体摆脱银河系的引力束缚,飞出银河系所需最小初始速度,大约为110~120千米/秒)都很难达到,更别说亚光速了。而且最远的旅行者1号走了几十年,其实还是在“家门口”。不过,从1957年人类发射第一个航天器以来(最早发射的航天器是前苏联的人造卫星),实际上,航天器才发展了不到100年,谁也说不准,接下来,科技是否会有巨大的进步。

我们还有多长时间?

人类科技的发展速度是一件说不准的事,按现在的情况看,似乎走出本超星系团遥遥无期,人类能坚持多久呢?我们能不能等到那个时候?而且整个宇宙的生命也是有限的,等到我们走出本超星系团,宇宙还存在吗?

在正常情况下,约45.5亿岁的地球应该可以再坚持50亿年。这个数字是由太阳的寿命决定的,太阳到50亿年后将膨胀成红巨星,那时地球将被太阳吞噬。不过,地球环境正在逐渐恶化,资源也在逐渐减少,因此天文学家一直在积极寻找可以替代地球的宜居行星。从火星到位于4.24光年之外的比邻星B,再到距地球1100光年的开普勒-442b,或许我们仍可以在本超星系团中辗转生存。

其次,空间一直在加速膨胀,这是由暗能量——一种克服万有引力、产生斥力的神秘力量造成的。如果空间加速膨胀的情况持续下去,到了某个临界点,万有引力将不足以抗衡暗能量的斥力,行星会逐渐远离恒星。再继续下去,构成物质的电磁力也将无法抗衡暗能量,物质被细碎化,宇宙重新变成只有基本粒子的世界,这就是“大撕裂”。

有计算表明,大撕裂如果发生,它将发生在900亿年以后,但是加速膨胀对超星系团尺度产生影响的时间会更短。有人做了这方面的计算,最乐观的估算是约370亿年左右,大撕裂就会影响到本星系群。而在最悲观的情况下,这个数字约为60亿年。也就是说,我们至少要在这段时间内掌握飞出本超星系团的技术。

亚光速够用吗?

上文中,我们提到了宇宙的加速膨胀,证明本超星系团的边界其实一直在扩张当中,所以我们可能要重新回到速度上来。

本超星系团的最大直径(2亿光年),用2亿光年乘以哈勃常数,我们可以计算出本超星系团边界的弥散速度,约为4159千米/秒左右。通过这个数字推演,我们可以知道:在几百亿年内,本超星系团边界弥散的速度不会超过光速(目前距离我们140亿光年外的星系可能正在以超光速远离地球)。因此,亚光速航行肯定是够用了。

1千克物质从静止加速到光速的99.9999%(亚光速),需要的能量大概是714千克物质全部转化成能量这么多(根据爱因斯坦质能方程得出),这些能量足够全世界用电约100天。

如果人类要逃离本超星系团,一个能装载部分人类和生命维护系统的飞船的重量至少是空间站的百倍。目前中国空间站的重量在10万千克左右,而国际空间站的重量是42万千克左右。无论怎样,我们使用的飞船最低质量也要在1000万千克(1万吨)左右,需要的能量实在是太大了。

现在航天器加速的动力还是来自于化学燃料燃烧,它能变换成能量的质量不过是燃料总质量的十亿分之一左右。科学家已经开始积极研究核聚变火箭了,美国核聚变火箭引擎研究小组预计2028年进行核聚变引擎的首次试飞。不过,理论上,核聚变反应的质能转化率仅为0.7%。

另外一种提供动力的方法是反物质火箭。当粒子和反粒子相互接触时,两者瞬间湮灭,全部质量都将100%转化为能量,利用这种反应释放出的能量作为火箭推进剂的就是反物质火箭。但这方面的技术发展也不尽如人意,在地球上,科学家们需要通过粒子加速器来生产反物质。以现在的技术,每生产10毫克(1毫克等于0.000001千克)正电子将耗资2.5亿美元,而且它们只能存放在电磁场中保存。在这样的情况下,我们可能得不偿失。

最后一种提供动力的方式是曲率引擎。曲率引擎可以使时空扭曲,它通过压缩宇宙飞船前面的时空,令飞船后方的空间膨胀,以空间的变形来推动飞船的前进。因为扭曲了时空,航天器利用时空本身在移动,所以它的一个好处是不受相对论的限制,飞船的速度可以超过光速,更快地到达目的地。如果使用曲率引擎加速飞船到10倍光速,我们到火星只需要75秒;航天器飞过奥尔特云(广义太阳系),只需要约72天的时间;离开本超星系群的时间也会缩短10倍。但曲率引擎更像是科幻小说中无法实现的想法,因为为了使空间弯曲,至少需要将和木星一样重的质量(1.9×1027千克)转化为能量。

人类到底能不能离开本超星系团?如果一定要给出一个结论,那就是理论上是可行的,留给我们寻求方法的时间还充足;但技术上是不可行的,除非科技水平出现爆发性的进步。

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