外星人沒有來地球，是因為他們不能發射火箭？

人類開啟航天時代以來，一直依靠由化學燃料驅動的火箭進入太空。這當然是一種有效的方法，但同時也存在著成本昂貴、消耗資源巨大的問題。在我們尋求更有效的進入太空的手段時，有人也提出了這樣的問題：如果存在文明程度和人類相似的外星種族，他們也會依賴相似的方式進入太空嗎？

無獨有偶，在近期發表的兩篇論文里，兩位作者分別討論了這樣的問題。一篇論文的作者是美國哈佛大學教授亞伯拉罕?勒布（Abraham Loeb），他關注了外星人從比鄰星b發射火箭可能面臨的困難。另一篇論文的作者是德國索內貝格天文台的獨立研究員邁克爾?希普克（Michael Hippke），討論了生活在所謂「超級地球」上的外星人能否依靠與地球上一樣的火箭來達到逃逸速度。

比鄰星b，化學火箭很難逃離恆星系

比鄰星b的藝術想像圖。圖片來源：ESO/M. Kornmesser

勒布教授在研究中指出，人類非常幸運，因為我們生活在一個非常適合進行航天發射的行星上。如果一枚火箭要從地球表面逃離並進入太空，而非環繞地球運行，它需要達到11.2千米/秒的逃逸速度。如果想從地球的位置出發逃離太陽引力的束縛，有能力進入星際空間，則逃逸速度需要達到大約42千米/秒。

發射火箭所需的化學燃料質量隨著目標速度的增加呈指數型增長。幸運的是，地球軌道所處位置上逃離太陽所需的速度，恰好在化學燃料火箭可以達到的速度極限以內。而對於更加黯淡的恆星來說，由於宜居星球距離恆星更近，在恆星的引力勢阱中陷得更深，化學火箭想要逃出去就將面臨更大的挑戰。

勒布教授在論文中指出，逃逸速度與恆星質量的平方根成正比，與行星到恆星距離的平方根成反比。考慮到宜居行星到恆星的距離與恆星質量有關，因此宜居帶的逃逸速度實際上與恆星質量的1/4次方成反比。對於地球這樣的行星，在太陽這樣的黃矮星的宜居帶內運行，逃逸速度倒還說得過去。

可惜，對於紅矮星周圍的宜居行星來說，這就不是個好消息了。質量更低的紅矮星是宇宙中最常見的恆星，僅在銀河系中，紅矮星就佔了所有恆星數量的75%。此外，近期對太陽系外行星的搜尋工作發現了大量岩石行星圍繞紅矮星運行的情況。一些科學家大膽地指出，在這些紅矮星附近最有可能找到潛在可居住行星。

太陽系與比鄰星系統行星軌道的對比圖，右圖中的綠色區域為比鄰星系統的宜居帶，其中的虛線為比鄰星b的軌道。可以看出，比鄰星b的軌道比水星圍繞太陽的軌道還要小得多。圖片來源：Pale Red Dot

勒布教授以位於半人馬座的比鄰星為例，解釋了在其宜居行星上，使用化學燃料的火箭想達到逃逸速度會有多麼困難。

「離太陽最近的恆星，即半人馬座比鄰星，是暗淡恆星的代表，它的質量僅有太陽的12%。」勒布教授說，「數年前，人類發現這顆恆星存在一顆地球大小的行星，位於其宜居帶內，這就是比鄰星b。它到比鄰星的距離只有地球到太陽距離的大約1/20。與地球環繞太陽軌道上的逃逸速度相比，比鄰星b這個位置上的逃逸速度要高出50%。比鄰星b上如果有外星文明的話，他們會發現自己很難用化學燃料火箭發射進入星際空間。」

超級地球，連進入太空可能都是奢望

希普克的論文，則從另一個角度入手，考慮了地球實際上可能不是宇宙中最宜居的行星類型。比地球質量更大的行星表面重力通常會更大，意味著它們能夠維持一個更濃厚的大氣層，這樣可以屏蔽更多有害的宇宙線和太陽輻射。此外，重力更大的行星地形會更加平坦，導致行星表面以群島為主，而不像地球這樣被淺海隔開成一塊塊大陸——從生物多樣性的角度來看，群島地形是更加理想的環境。但對於火箭發射來說，地表重力的增加也意味著逃逸速度會更大。

一顆「超級地球「的藝術想像圖。這顆行星的質量是地球的許多倍，但小於天王星或海王星。圖片來源：NASA/Ames/JPL-Caltech

希普克稱，當行星質量更大時，傳統的化學燃料火箭需要更多燃料才能發射升空。 這其中存在某種指數關係。舉例來說，假設地球引力為1，所需的燃料為2，那麼在一顆重力為10的行星上，所需的燃料就會變成210，即1024。因此，在這樣一個過分簡化的模型里，比地球重10倍的超級地球上，火箭需要1000倍的燃料才能把同樣的載荷發射升空。

希普克以開普勒-20b為例作了一個比較。這是一顆950光年外的行星，其半徑是地球的1.6倍，質量是地球的9.7倍。地球上火箭的逃逸速度約為11.2千米/秒，而在與開普勒-20b相似的一顆行星上，火箭的逃逸速度將達到大約27.1千米/秒。相比於地球上同樣的火箭，開普勒-20b上發射的單級火箭需要燃燒掉104倍的燃料才能入軌。

希普克還用一些特定的載荷為例作了計算。如果要將6.2噸的韋布空間望遠鏡送入軌道，在開普勒-20b上需要使用大約5.5萬噸燃料，與最大的海洋戰列艦質量相當。如果要進行阿波羅登月任務，即載荷為45噸，火箭就必須更大，達到大約40萬噸級——而地球上執行阿波羅任務的土星五號火箭，就算加滿燃料，總質量也才大約3000噸而已。

希普克的分析認為，化學燃料火箭在10倍地球質量的行星上雖然仍可以達到逃逸速度，但火箭所需的燃料讓這種方法顯得不切實際。希普克指出，這可能對外星文明的發展產生嚴重影響。

「我很驚訝地發現，人類差點就會被困在地球上，而不是像現在這樣可以開展太空飛行。」他說，「其他文明，如果存在的話，可能不會有這麼幸運。在質量更大的行星上，航天發射的成本是成指數倍增加的。這樣的文明不會有衛星電視、登月任務，也不會有哈勃空間望遠鏡。這將改變他們的文明進程。」

一枚火箭正在化學燃燒的驅動下發射升空。這樣的場景，恐怕在外星文明那裡並不常見。圖片來源：SpaceX

化學火箭，可能是少數文明才能掌握的能力

在搜尋地外文明（SETI）方向，這兩篇論文都提供了一些明顯的指向性。比如說，如果在紅矮星周邊的行星上，或者在超級地球上，技術文明都不太可能進行航天探索的話，目前我們所採用的SETI技術可能就更難發現他們了。

不過，勒布和希普克也都指出，外星文明也可以採用其他的推進方法，比如用光帆或核動力引擎來進入太空。對於這些技術，我們人類也在研究，目前都還處在非常初步的階段。歸根到底，我們所熟悉的噴氣推進技術，在宇宙中大概不會有多少技術文明採用，因為對他們來說，化學火箭可能根本就不適用。

莫非，這才是外星人至今都還沒來過地球的真正原因？！

編譯：Tisney

編輯：Steed

編譯來源：Universe Today, THE CHALLENGES OF AN ALIEN SPACEFLIGHT PROGRAM: ESCAPING SUPER EARTHS AND RED DWARF STARS

題圖來源：ikub.al

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