三体文明会在宇宙中存在吗?

中科院物理所 2018-10-12 12:32:53

我国当代知名科幻作家刘慈欣科幻小说《三体》刚刚荣获世界科幻文学界的最高奖项——雨果奖。最近几年来,《三体》系列红遍大江南北,被视为中国科幻文学的里程碑之作。伴随着《三体》小说的热销,三体问题也为众多的读者所熟知。刘慈欣在小说里构造出了一个复杂而迷人的宇宙体系,这样一个三体系统在现实宇宙中存在吗?

实际上,这样一个忽然很规律、忽然很紊乱的三体系统在宇宙中是不存在的,即使存在,也会很快崩溃。所谓的行星,要么飞离恒星要么飞向恒星。如果要像三体中说的那样时近时远,还能让一个文明产生,几乎是完全不可能的。




三颗恒星的系统

不过,《三体》小说中提到的的“三体人”所居住的恒星系统还真有“生活原型”,这就是半人马座α(南门二)三合星系统。半人马座α由三颗恒星组成,其编号分别为A星、B星和C星,其中半人马座α星C被命名为“比邻星”,是距离太阳最近的恒星之一,距离为4.22光年。由于半人马座α星系统距离地球很近,因此许多科幻小说都描述这里拥有与地球截然不同的世界和宇宙生物,存在着发达的宇宙文明。令人震惊的是,就在2012年,天文学家竟然发现了在半人马座α星系统很可能有一颗地球大小的行星,围绕着其中的B星公转。不过遗憾的是,据计算,这颗行星上一年的周期仅有3天多,这说明该行星的公转轨道离它的“太阳”距离十分近,就像是我们水星的“超级沸腾”版,根本不可能有生命存在。

这个三体系统为什么如此稳定、并没有小说所描述的那样混乱呢?事实上,半人马座α并不是很标准的三体系统,而是一个双星系统加一个卫星恒星而已,是一种以2+1形式存在的“三体系统”。A星和B星以一个偏心率较大的椭圆轨道互相围绕旋转,公转周期为79.9年。较小的C星(比邻星)则在遥远的0.2光年之外以50万年以上的周期围绕A、B星的质量中心缓慢公转,由于比邻星离A、B星实在是太远了,最后很可能飞离半人马座α星系统。也有科学家认为,比邻星本来就是个过客,当然会要离开α星继续在宇宙中漂流了。


天上有两个太阳

如果半人马座α星系统真像小说中所说的那样,有一颗距离A、B星适中的、跟地球大小相似的行星,毫无疑问,其运行轨道不会那么疯癫,而是跟地球一样很稳定。如果我们身处在那样的行星,会看到怎样一幅图景呢?

喜欢《星球大战》的读者大概会记得天行者卢克的家乡塔图因,那是一个有着两颗橙色太阳照耀的星球,双倍的阳光使得塔图因成为一个沙漠的世界。很显然,塔图因是在围绕着一对双星运转,在那里,人们肯定说不出“天无二日”这样的话。但是,在那样的双星世界里真会有塔图因这样的行星吗?

在宇宙中,像太阳这样孤独的恒星是少数,多数的恒星都是两个或两个以上汇聚在一起,组成双星或者聚星。多年来,天文学家一直认为双星系统不会拥有行星,因为在双星系统中,行星很可能不是被其中一颗恒星吸进去就是被甩到宇宙空间。但随着观测技术的不断提高,天文学家已经在越来越多的双星系统中发现了行星。

在那里运行的行星确实比较复杂,其轨道分为两种:一种是在外围同时绕两个恒星运转,称为外围轨道;一种是只绕其中一个恒星运转,称为内部轨道。

在外围轨道上运转的行星,如果距离双星非常遥远,就是大外围轨道,这时行星将会沿椭圆形轨道同时绕这两颗恒星运行,跟地球绕太阳旋转没什么区别。尽管天上总是有两颗太阳同时照耀,但由于距离非常遥远,这颗行星无疑会和冥王星一样寒冷。行星如果很靠近双星,就是小外围轨道,遍布沙漠的炎热的塔图因就是这一类行星,两颗太阳会如同《星球大战》中演的那样结伴同升同落。有意思的是,近距离围绕双星的行星,其所受的双星引力开始变化无常起来,这时行星的运转必须与双星绕转的方向相反,逆向而行,否则整个系统将无法稳定存在,行星不是被恒星吞了就是要飞出去。因为行星在顺行时会被双星带着猛跑,结果无法控制自己,最终导致失衡。


穿行于两个太阳之间

到目前为止,科学家还没有发现这种在外围轨道上运转的行星,在双星系统中所发现的行星都属于是在内部轨道上运转的行星,就是说,行星穿行于两颗恒星之间,但只围绕其中一颗恒星运转,离另一颗比较远。半人马座α三星系统的行星就是围绕B星运转的。如果双星系统中两颗恒星的距离比较近,行星穿梭其中时,很可能遭受两颗恒星的引力拉拽,被撕裂而化成一片飞灰。

我们想象一下,如果我们生活在这样一颗行星上,天空上是不是同样有两个太阳呢?情况有点不一样,我们看到另一颗较远的恒星像是一颗明亮的“飞星”,当“飞星”最亮的时候,可以看到它是一个小太阳。最暗的时候,看上去就是一颗非常亮的星星,但亮度仍然到了刺目的地步,不能用眼睛直视。如果太阳下山了,“飞星”还没下山的话,“夜空”仍然非常明亮,在“飞星”的照耀下,天空和大地仍然沐浴在一片温和的橙色光辉中。只有当“飞星”也下山了,真正的夜晚才来临,点点繁星洒满了夜空。

两颗恒星同行星三者之间组成一个正三角形的情况也会出现,根据拉格朗日在“三体问题”中的证明,它们将始终保持正三角形的相对位置不变,就如同特洛伊群同木星和太阳的关系一样,这种情况下,在行星上我们看到的又是一大一小两个太阳了。

我们目前考虑的都是一颗行星和双星间的关系,如果一个双星系统有更多行星会是什么情况呢?这就相当复杂了,我们以太阳系为例来看看。我们经常说如果木星大一些的话,太阳系就可以成为一个双星系统,如果真是如此的话,我们的太阳系就是一个带着很多行星的双星系统。这样,我们的地球和水星、金星、火星就是属于内部轨道运转的行星,也就是说只绕太阳,不绕木星;海王星和更外的行星是大外围轨道,同时绕太阳和木星两颗恒星转。至于土星,由于离木星很近,属于小外围轨道,无法稳定存在的。目前的木星是行星,对土星产生不了什么影响,但如果木星真的成了恒星的话,至少会比现在大80倍,从而土星产生巨大影响,土星会被木星巨大的质量所吸引,一头撞进木星的怀抱。介于土星和海王星之间的天王星,则看木星质量到底多大才能决定生存的可能。


星空出人意料

至于多了一颗恒星照耀的行星是否能产生文明,就有待商榷了,不过可以料想的是,如果那样的行星上真的产生了文明的话,它的天文学和物理学发展肯定会比较慢。因为那里白天长黑夜短,那里的科学家恐怕积累不了太多的观测资料,而缺少足够的星空资料,天文学的发展就无从谈起。另外,双星系统中行星的运转都过于复杂,那里即使产生了开普勒这样科学大师,恐怕穷其一生都分析不出开普勒三定律,而没有开普勒三定律为基础的话,牛顿就算被1000只苹果打破了头也创立不了万有引力定律,没有万有引力定律,他们又怎么能计算星空?

不过,天文学家对于双星系统为什么能够存在行星感到好奇,因为从行星形成理论上,双星系统在形成之初,它们的引力会彼此干扰,使得尘埃和气体没有机会凝聚起来形成行星,接下来,两大恒星再把这些物质清扫一空。相应的太阳系里的例子是,木星内侧的小行星带里,就没能形成一颗大行星,而木星还时不时把一些倒霉的小家伙拉过来变成卫星或者干脆吃下去。如果木星足够大,大到成为另一颗恒星,那么木星内侧水星、金星、地球和火星都将不存在。

有科学家指出,双星系统中的行星可能都不是一开始形成的,而是后来从别处俘获的。宇宙中有一些无家可归、独自流浪的行星,它们如果漂浮到一个双星系统附近,就会被双星俘获。如此看来,我们对恒星和行星的形成机制还需要进一步认识,浩瀚的星空还有很多秘密等待我们去揭开。

来源:《大科技》杂志


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