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星際殖民時代即將到來,你想去火星還是水星定居?

2024-08-16科學

人類移民火星是當今一個熱門話題,尤其是鋼鐵俠馬斯克建造出了巨大星艦,提出未來五十年內送一百萬人去火星,還揚言自己也要死在火星埋在火星上。馬斯克這些雄心勃勃的計劃,讓星際殖民這種很夢幻的事情,變得越來越真實起來。

地球在廣袤的宇宙中就像一粒塵埃,而在這粒塵埃上面卻已經繁衍了無數的生命,包括八十億人類。這粒渺小的塵埃隨時都有可能被淪陷,人類文明就會終結。導致地球淪陷的可能性很多,包括太陽極端事件、Gamma射線暴、小行星撞擊、黑洞入侵等宇宙事件,甚至包括地球自身的巨大地質災難、極端氣候變遷、瘟疫病毒襲擊等等。迄今為止,人類根本無法抗拒這類事件,因此,淪陷總有一天會發生。

現在,整個人類就像一堆雞蛋,裝在地球這樣一個籃子裏。

一群有遠見的科學家們早就對此表現出憂心忡忡,為了避免人類淪陷,正在設法將地球這筐人類雞蛋設法分散開來,具體做法就是盡快實作星際移民,將人類和其他重要的生命種子播撒到其他星球。這樣,那些淪陷事件導致人類文明全部湮滅的可能性就大大降低。

但人類現階段的科技能力,在較長一段可預期的時間裏,還無法脫離太陽系,只能夠在附近的行星或衛星選擇殖民點。在太陽系八大行星中,四顆氣態行星在目前認知裏是無法殖民人類的,除了地球本身的另外三顆類地行星,金星經探測被證實是一個地獄般的世界,至少目前無法宜居,那麽只剩火星和水星了。

而火星則被認為是最像地球的行星,自然而然就成為人類首選的星際殖民地。

說火星最像地球,主要表現在這麽幾個方面:第一,是和地球一樣的巖石行星,地表有一層堅硬的巖石地殼;第二,有晝夜之分,且自轉周期為24小時37分22.7秒,和地球差不多;第三,有大氣層和水,這是地球類生命生存的必備條件;第四,自轉軸傾角為25.2°,與地球23.5°差不太多,這樣就也有了一年四季。

但這幾個簡單的指標是遠遠不足以滿足地球生命的生存需要的。其實,說火星與地球最像,是相對其他七大行星而言,具體與地球比較,那裏的環境與地球還是有著天差地別。比如大氣,濃度只有地球約1%,大氣成分95%以上是二氧化碳;火星平均氣溫為零下63攝氏度,赤道晝夜溫差都達到100攝氏度,而地球平均氣溫約為15攝氏度,赤道晝夜溫差在10攝氏度以內;火星有水,但是以固態水冰的形式存在於地下,且主要在極地,還沒有發現液態水。

還有,火星體積和品質都遠遠小於地球,直徑為6779公裏,約為地球的一半多點,品質為6.4171*10^23公斤,只有地球約十分之一多點。這樣,火星重力只有地球的百分之三十八,人在上面會感到很輕,這對生物的生存和生長都會產生重大影響;由於大氣稀薄,難以抵擋太陽風以及宇宙射線的襲擊,地表放射線強度要比地球大兩百六十多倍,生物無法在暴露環境中存活。

因此,人類移民火星,不但要解決遠距離太空旅途問題,還要解決如何在火星上生存問題。最好的辦法就是對火星實施改造,讓那裏也變成山清水秀的地球模樣,未來或許能做到這一點,但絕非一日之功,可能要成百上千代人類子孫或火星人子孫的不懈奮鬥。

在人們關註火星的同時,似乎遺忘了在太陽系還有一個星球,或許也值得一試,這就是水星。

在人們的一般認識中,水星是最小的一顆行星,又距離太陽太近,就像一顆被太陽炙烤著的馬鈴薯,早就燒焦了。因此,水星似乎與人類星際殖民這個話題格格不入。事實上,人類對水星的考察也是八大行星中最少的。究其原因,主要是水星距離太陽太近,時常隱藏在太陽巨大光輝裏,很難觀測,要去那裏則更難,弄不好就被熾熱高溫燒毀,或者被太陽巨大重力吞噬掉。

即便如此,還是有一群科學家沒有放棄,一直在孜孜不倦地在設法弄清這顆小不點的奧秘。水星只比月球稍大些,直徑為4880公裏,約為地球的二點六分之一;品質約3.3*10^23公斤,體積和品質都是約為地球十八分之一。

這麽一個小小寰球,卻在距離太陽只有五六千萬公裏的軌域上公轉,強烈的放射線讓水星向陽一面(白天)地表溫度高達428攝氏度;由於沒有大氣保溫,背陰一面(夜晚)溫度又低至零下190攝氏度,溫差達到可怕的六百多攝氏度。這樣一個環境殘酷的星球,怎麽可能成為人類未來的家園呢?

但科學家們經過持久不懈的觀測,終於發現那裏一些驚人的奧秘:

在水星極地深坑裏有一些區域永遠不會被太陽照射到,溫度長年維持在零下170攝氏度以下,那些永久陰影處可能存在水冰。觀測雷達收到了那個區域強烈的反射斑點,科學家們相信這可能就是水冰存在的證據。經測算,水冰數量達到10^14~15公斤之多,也就是那裏的水資源最多可達一萬億噸。

同時,雖然說水星沒有大氣,但並非絕對。水星由於太小又太熱,其重力和強烈太陽風讓它不足以長期留住大氣,但迄今為止,在其表面的外逸層還是殘留著一些稀薄的大氣,這些大氣成分包含氫、氦、氧、硫、鈣、鉀、鎂等等。

水星密度達到5.427克/cm³,在太陽系所有行星天體中,僅稍微次於地球,是因為其有一個巨大鐵核,占據了水星整體品質的60%,達2萬億億噸之多。按地球現在的開采速度,足夠人類開采上千億年。加上水星地殼中多種礦物元素,可以提供人類生產生活的必要原材料。

因此,從這些新發現來看,水星也並非是一顆完全不宜居之地。經望遠鏡和雷達遙測以及探測器探測,水星除了沒有液態水,其地貌與地球差不多,有高聳的山脊也有巨大的峽谷溝壑,有深沈的盆地也有廣闊的平原。當然,這些地域並不適合人類定居。 科學研究認為,只有在南北極地那些永久陰影處的恒溫區域,才有可能成為人類的安居之地。

水星由於距離太陽很近,太陽能源取之不盡用之不竭,這是任何星球都不具備的得天獨厚條件;有了能源,又有了水,還有各種礦物資源,就能夠制造出人類需要的氧氣和食物。因此,水星就很有可能成為人類在可預期未來的殖民地之一了。

有一種科學思路認為,在水星軌域上安置巨大的太陽能反射鏡,將陽光反射到極地環形山的底部,讓那裏升溫,使冰凍水融化;還要用透明材料將整個定居點封閉起來,形成一個密閉的生態空間。這個穹頂既能夠將強烈的放射線隔離掉,又能夠讓空氣和陽光充滿整個空間,讓裏面保持適宜的溫度,生物能夠進行良好的光合作用。這樣,水星就成了一塊風水寶地,能夠讓人類在那萊恩居樂業。

當然,這一切都需要等到科技水平具備實作星際移民的條件,其中包括到達附近星球的空間運輸能力,在外星球上建造人類居住點的能力,利用外星球環境條件開發生命生存生活所必須物質條件的能力。

為了實作這個目標,科學探索一直在進行。迄今為止,人類已經發射了行星探測器120余艘,對太陽系所有行星都反復探測過多次。但對水星發射的探測器只有三艘,其中有兩艘由美國NASA研制,即水星10號於1973年發射,信使號於2004年發射;還有一艘由歐空局和日本航天局聯合研制,叫貝皮可倫坡號(BepiColombo),於2018年發射。

這些探測器為人類了解水星作出了卓越貢獻。前兩艘已經完成了探測任務,燃料消耗殆盡。其中水星10號1975年就中斷了聯系,成為一顆環繞太陽軌域的失控衛星,依靠慣性每隔幾個月接近水星一次,但已經無法執行任何任務和反饋任何訊息;信使號於台北時間2015年5月1日淩晨3點26分,以撞擊水星的方式完成其探測使命,在水星北極附近留下了一個直徑約15公尺的撞擊坑,並長眠在那裏。

貝皮可倫坡號探測器則依然在任務執行中,如果不出意外的話,將在2025年進入環水星軌域,分別釋放出兩個探測裝置,即水星磁層軌域飛行器(MMO)和水星行星軌域飛行器(MPO)。這兩個探測裝置將繼承水星10號和信使號未竟的探測任務,繼續弄清弄細水星的狀況。其中MMO將透過攜帶的磁力計、等離子粒子實驗裝置、鈉大氣光譜繪圖儀、塵埃監視器等裝置,探測水星磁場和太陽風狀態,以及它們之間交互作用;MPO則透過攜帶的光譜儀,透過紅外線、紫外線、X射線和Gamma射線等各個不同電磁波段,探測研究水星的表面和內部結構。

雖然正式的探測任務要到2025年才能開展,但貝皮可倫坡號已經於2021年就掠過了水星,最近已經是第五次掠過了,距離水星表面最近時只有236km,拍攝傳回了有史以來水星表面最高畫質影像,對人類認識水星增添了新的證據。

有人可能會問,既然早就到了水星,為啥不早些進入軌域進行工作,還要在太空晃悠那麽多年呢?其實這就涉及到內行星探測的難度了。看起來從地球到水星最近時還沒有一億公裏,但真正要飛進水星軌域卻要在太空中遨遊八九十億公裏,迂回許久才能成功。

水星屬於內行星,所謂內行星就是公轉軌域在地球內側靠太陽方向。發射探測器時前往外行星(公轉軌域在地球外側遠離太陽方向)與內行星的機制是不一樣的,其中最大的不同,就是由於太陽重力作用,往外行星方向速度會越來越慢,而朝著內行星方向則會越來越快。這是因為去外行星是反著太陽方向飛,而去內行星是朝著太陽方向飛。

有人又會說,這不是好事嗎,去水星這種內行星不是會省許多燃料嗎,飛得越來越快不是會更早到達嗎?這種邏輯看起來沒錯,但一個需要解決的問題就是如果越來越快,到了水星怎麽能停住呢?在太空真空中沒有任何阻力,要減慢速度只能依靠火箭反推,這就需要大量燃料。而任何探測器如果裝載那麽多燃料和巨大的反推發動機,就沒辦法起飛和遠航了。

因此,如何實作剎車停留在水星軌域呢?只能采用重力彈弓效應,就是利用行星重力拉住探測器,漸漸到達預定軌域。天體的重力彈弓效應很奇妙,既可以為飛船加速,也可以為飛船減速或剎車,關鍵是到達需要利用的天體時,調校好切入角度。探測器所攜帶的有限燃料,主要就是用於變軌調校。

發射任何行星探測器都需要達到脫離地球的第二宇宙速度,也就是每秒約11.2公裏,脫離地球重力後,朝著水星飛又會受到太陽重力拉扯越來越快,速度最高時可達到每秒60公裏,而進入水星環繞軌域的速度則要降到每秒3公裏以下。既然無法攜帶燃料剎車,單純依靠行星重力剎車就需要時間了。因此,發射探測器飛往距離我們較近的水星所需時間,和前往距離遠六七倍的木星所花費的時間差不多。

按規劃,貝皮可倫坡號在發射後的七年時間裏,要利用重力彈弓效應剎車9次,其中利用地球1次,金星2次,水星6次,剛發射離開地球後就利用地球「剎」了一次,路過金星時「剎」了一次,到達水星後又「剎」了一次,繞了水星一圈返回金星又「剎」了一次,最近路過水星又「剎」了一次,現在已經「剎」了五次車了。目前,貝皮可倫坡號已經是繞著水星飛了,但繞的這個橢圓軌域圈還很大,還要「剎」四次車,才能到達預定的水星環繞軌域。

這就是貝皮可倫坡號在七年多深空航行中,要飛行約90億公裏的原因。這艘探測器將於2025年12月5日進入預定軌域,2026年開始執行探測任務,2028年5月結束任務。由此我們可以看出,星際探索實在是非常艱難而高科技的任務。我們期待貝皮可倫坡號對水星有更多驚人的發現,為人類探索開發未來避難所立下新功。

這些探索可以認為是人類星際殖民的前奏,而火星或水星的星際殖民工程或很快就會啟動,本世紀必將進入人類的星際移民時代。我們這一代人大機率無緣前往外星球,但我們子孫就有了成為星際新人類的機率,那麽,你是更希望他們成為火星人還是水星人呢?歡迎說出你的想法,留給子孫印證。