火星、月壤、星際旅行，科學家對於蒼穹的遐想與展望｜造物者終極三問
整理｜王一葦
編輯｜陳曉雪
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太空飛行器為什麼大多回不來？快速射電暴是外星人發出的信號嗎？如何在茫茫太空中找到一顆 「流浪行星」？如果你也好奇這些問題，願意在工作之餘靜下心來聽聽來自遙遠宇宙的聲音，那麼 「造物者的終極三問」 系列第二場 「問道宇宙」 是你不可錯過的新年放送。
「2021造物者的終極三問」 系列直播是《知識分子》、科學探索獎和騰訊新聞聯合推出的新年特別節目。直播請來多個領域的科學家，以人作為 「造物者」 所做的科學探索為起點，暢聊其各自領域內的進展。
2月2日晚，三位熱心科普的天文界學者，中國科學院高能物理研究所的張雙南教授、北京大學科維理天文和天體物理研究所、科學探索獎獲獎人東蘇勃研究員和中國科學院國家天文台的鄭永春研究員在直播中帶來了有趣、有料的分享。直播由資深媒體人陽燕主持。
《知識分子》為你總結了本場的主要看點。
「天問一號」 登陸火星，有哪些關鍵節點？
2021年，我國第一個火星探測器 「天問一號」 登陸火星是天文和航天領域的年度大事件。了解 「天問一號」 的進展，需要知道哪幾個關鍵節點？
中國科學院國家天文台的研究員鄭永春說，天問一號2020年7月23日發射，目前正在逼近火星。它從地球出發已經飛了4億多公里，但因為地球也在運動，所以，天問一號與地球之間的實際距離只有1.5億多公里。
接下來，「天問一號」 第一個重要節點是2月10日，也就是農曆大年二十九。這一天，「天問一號」 接近火星，減速 「剎車」 後，被火星引力 「抓過來」，開始環繞火星運動。「剛抓它第一把的時候，不敢抓太重，它要欲擒故縱，我抓你一把，但是還是讓你走，它會進入一個大橢圓，」 鄭永春說。
在橢圓軌道上繞行至近火點時，「天問一號」 會再減速，經過幾次調整，軌道會逐漸趨向於圓形，變成一個小橢圓，就越來越靠近火星，最終進入停泊軌道，就可以給火星「拍照」了。這些照片會回傳至地球，方便科學家們研究分析，確定最終的著陸場。
之後，「天問一號」 要再調整軌道，鄭永春說，這就像是準備推門進屋之前，要先到門口站好，「軌道調整又要有一段時間，每次你都要細細調、慢慢調，調到位之後，可以推門了。」
「推門」 的動作是 「天問一號」 又一重要節點，這時，航天器的軌道器和著陸器分離，軌道器還在空中飛，著陸器，也叫 「著巡組合體」，則穿過火星大氣層。
穿過火星大氣層的過程，是漫長的 「黑色七分鐘」，鄭永春說，它也叫「恐怖七分鐘」。航天器就像流星穿過地球大氣層，要經歷上千攝氏度的高溫，還要在過程中儘快減速，不至於撞毀，保護好精密元器件，輕輕、穩穩地落在火星地面上。
火星 「軟著陸」 將發生在5月份。安全著陸後，著陸器會伸出一個坡道，火星車沿著坡道下來，在火星上開動。「這個過程都是離我們幾億公里，即使以光速來傳播信號，通信時間也要十幾分鐘。」 鄭永春說，這要求火星車有又快又好的自主控制能力，在設計中提前考慮和解決問題。
在此之後，「天問一號」 會一直留在火星上，不會返回。「讓它回來，比讓它去更難。」 鄭永春說，返回式的航天器極少，因為航天器返回的難度極大，也並不划算，如果一個完成任務的航天器有富餘的能力，一般會設計它們做拓展任務，去另外的目的地做更多考察。
快速射電暴是不是外星人的信號？一眼60萬的望遠鏡給你答案
2007年開始，天文學家們觀測到一種無線電信號，其信號寬度只有毫秒寬，非常快速，稱它為 「快速射電暴」。地球上每天能收到很多這樣的信號，而且有些方向上的信號會重複，有些還有周期性，但用光學望遠鏡和X射線望遠鏡望向同一個方向則接收不到信號。
「一些腦洞大的科學家就推測，這是外星人在通信，」中國科學院高能物理研究所教授張雙南說。他調侃道，天文學家按照自然規律無法解釋一個天文現象時，就讓外星人 「背鍋」。
張雙南的工作之一，是在繞地球軌道的衛星上架設天文望遠鏡，觀測宇宙中黑洞、伽瑪射線暴等人類還知之甚少的天體。去年一次湊巧的觀測，讓他的團隊解開了快速射電暴的謎團。
一天早晨，張雙南以前的一位學生給他發微信。「說張老師，有一顆磁星最近有點不安，有點活動，我們能不能看一看這個磁星。」 但是，衛星的觀測計劃安排非常緊張，要看額外的活動，就要改變觀測計劃。
「我糾結了一個多小時，決定看60萬塊錢的吧。」 張雙南說，算上研製成本，衛星一天的運行價錢約為30萬元，「看60萬塊錢」，相當於看兩天。
「衛星望遠鏡指向那個天體之後，幾個小時這個事就發生了，我們運氣非常好。」張雙南說。完成這項觀測的天文衛星名叫「慧眼」，由張雙南所在的高能物理研究所等團隊研製，並在2017年6月15日發射。它一直在天上跑，每90多分鐘轉一圈。它比美國和加拿大的射電望遠鏡提前了8.6秒探測到一個中子星暴發的信號，而這個信號的方向和快速射電暴的信號大致是一個方向。這一發現同時進入了《科學》和《自然》雜誌2020年評選的十大科學突破。
「我們精確確定了X射線暴發的位置就是這個中子星的位置，所以我們確定，至少這個快速射電暴是來自於一個中子星磁星。」張雙南說。這也意味著這個快速射電暴並非來自外星人，因為磁星作為一顆中子星，環境極端惡劣，不可能有生命存在。
「引力太強了，不僅我們到磁星上根本站不起來，要趴在上面，我們的原子都要趴在中子星上面，」 張雙南解釋說，「外星人即使比我們地球人笨一些，也不可能待在中子星上面。」
如何在不到百萬分之一的機會裡尋找 「流浪行星」？
北京大學科維理研究所研究員東蘇勃的一個研究方向是搜尋太陽系外的行星，並研究它們是怎麼分布和演化而來的。他說，去年該領域內一個重要的發現，是天文學家觀測到的太陽系外的一顆類火星行星，就是質量在量級上和火星差不多。這顆行星很特別，在它周圍沒有認證出任何的恆星，是所謂的 「流浪行星」。
東蘇勃說，天文學家們預言過這種流浪行星的存在。太陽系就好像是一個和諧的大家庭，太陽是大家長，行星子女們在近乎完美的圓軌道上繞著它轉。但銀河系眾多恆星里也可能有一些不和諧的行星家庭，行星間有強烈的引力作用，使一些行星被 「踢」 出系統，形成 「流浪行星」。「好像兄弟姐妹間鬧了很大的家庭矛盾，結果有子女離家出走。」
有理論預言，這些離家出走的 「流浪行星」 在銀河系中數量繁多。但由於其並未繞任何恆星轉動，附近沒有光，很難被一般觀測方法發現。
搜尋這些流浪行星的方法，是愛因斯坦在1936年提出的微引力透鏡。在一顆遙遠的恆星跟我們之間，如果恰好有一顆流浪行星經過，那麼根據廣義相對論，恆星的光在達到我們之前會受到行星的引力影響而偏折，這個行星就好像一個透鏡一樣，產生聚焦的效應，這時恆星的亮度就會被放大，由於恆星，行星，和我們之間的相對運動，被放大的恆星亮度會不斷變化，這就是微引力透鏡現象。
東蘇勃說，行星的質量越小，微引力透鏡事件持續的時間就越短。如果是地球大小的行星，持續時間可能只有幾小時，木星大小的行星則會持續一天左右，而一些恆星產生的微引力透鏡事件可以持續一個月。2020年，天文學家報道了一個只持續了40多分鐘的微引力透鏡事件，估計這個行星的質量約三倍於火星。因為這類低質量行星一般很難被探測到，天文學家由此估計，低質量的 「流浪火星」 在銀河系中可能是普遍存在的。但這一估計只是基於單個事件，需要更多數據和發現來確認。「我們的一個目標，是給銀河系行星家庭做更全面的人口普查，這樣可以更好地了解這些行星系統是如何誕生、如何演化的。」
劉慈欣的小說《流浪地球》描述了人類推動地球離開太陽系、躲開滅頂之災的想像。聽了東蘇勃的分享，張雙南開了腦洞：「有沒有可能流浪火星就是《流浪地球》的一個版本呢？其實上面是人開著跑的。」
東蘇勃說，目前沒法排除這種可能性，但天文學家一般會先考慮自然原因，再考慮非自然因素。儘管了解行星的運動軌跡，觀測其是否有反自然加速，可能可以幫助解答這個問題，但微引力透鏡事件只是一次性的觀測，很難測量行星加速度——除非行星再跑到另一個背景恆星和我們之間。「幾率小於百萬分之一，」他說，如果我們能活100萬年，可能再次觀測到這顆行星的微引力透鏡事件。
每一顆流浪行星的微引力透鏡事件發生幾率是百萬分之一，是否意味著此類研究發現行星的希望渺茫？東蘇勃說，機遇總是給有準備的人。「雖然每一次它的幾率是百萬分之一，如果你監視100萬顆星的話就會看到一個；天文學家們監視數億顆星，一年可以看到上千個微引力透鏡事件。」
鄭永春打了個風趣的比方，這就是為什麼彩票一定要每天買。
「如果把所有的彩票買下來，就能把所有的獎收入囊中。」東蘇勃表示贊同。
科學研究的現實意義是什麼？
天文學的研究給了人暫時脫離塵世的無限想像空間，但也有人會禁不住問，這樣耗時耗力又耗錢的基礎科學研究，對現實有什麼意義呢？主持人向各位嘉賓拋出了這一問題。
「參加一場音樂會、看一場藝術表演有什麼用？」 張雙南反問道，「藝術是人類文明很重要的一部分，科學是人類文明更重要的一部分。」 一些藝術，如唐詩宋詞，恆久流傳，而我們今天用於閱讀它們的工具和技術則是古代沒有的。「這些都來自於很長期也很昂貴的科學研究。」
「人類對於宇宙的探索，構成了現代文明的主要部分。如果沒有這些，我們和古代的人區別不大，」張雙南說，「我們穿的衣服，用的技術，談論的話題，所有這些都是科學研究帶來的。」
他認為，科學是為人類的未來工作的，儘管沒有短暫的用處，但卻有長遠的影響。「歸根結底，人類不可能永遠待在地球上，」他說，「我們如果想不在地球上滅亡，就必須要了解離開了地球之後，宇宙到底是什麼，宇宙當中有沒有人類的第二個家園。」
而在探索未來的過程中，科學也會催生一些促進社會發展的技術轉化。張雙南介紹，他的團隊在研製望遠鏡過程中就和軍工企業聯合開發了一項X射線望遠鏡技術，這項技術世界領先，也為企業賺了不少錢。
歷史上也有不少這樣的先例。「Wi-Fi是射電天文學家搞出來，英特網的WWW網頁技術是粒子物理學家搞出來的，」張雙南說，科學家在創新過程中，往往發現工業水平滿足不了需求，只能自己研製新技術。而這些技術有的就能轉化為工業界的應用。
東蘇勃說，除了少數天文學研究可以影響技術發展外，對宇宙的絕大多數研究很可能永遠不會有實用價值。「我很贊同老子和莊子的一個觀點，用一句話總結：無用之用，是大用也，」他說，人類精神層面需求的其中一方面就是好奇心，是對客觀世界、對未知，對宇宙奧秘的探索。
鄭永春也認為，人類的好奇心和不安全感是這個「弱勢物種」最終倖存和勝出的原因。而有些研究現在看上去沒用，可能只是回報周期比較長。
東蘇勃談到，天文學的投資並沒有有些人想像中那麼高。「世界頂尖的光學望遠鏡造價10億人民幣，其實也就是一兩場年度大片的預算。」
但今天的天文學前沿探索，已非個人力量所能完成，而需要整個社會環境的支持。「我們所需要的尖端探測器技術，龐大、複雜的望遠鏡設備，甚至航天技術，都需要整個社會的資源、技術，還有人力的組織管理，集中起來才能夠去支撐，」東蘇勃說，「另一方面，探索宇宙，做出新發現需要的新的思維，新的想法，這些從0到1的突破跟技術突破一脈相承。一個有活力、健康、積極向上的社會，才有可能提供探索宇宙的沃土。」
東蘇勃認為，一個社會對於宇宙探索的重視程度，標誌著社會發展的程度。「在中國古代我們有最完備的超新星爆發的記錄，但是過去幾百年里，主要的宇宙發現都出自西方。我們中國是落後了。最近二三十年，中國的技術、經濟、綜合國力有了飛速發展，中華民族應該在宇宙探索方面對人類文明做出跟我們社會發展水平相稱的貢獻。」
張雙南說，科學發現帶來文明自豪感。目前的教科書上，中國科學家的貢獻還很少。作為中國人，做出更多科學成果，才能為人類文明做出貢獻，得到其他民族的尊重。
人類在宇宙中是否孤獨？我們需要星際旅行嗎？
宇宙中是否存在外星生命？東蘇勃說，這個問題現在還沒有任何確鑿的科學證據予以回答，所以一切都還是基於猜測；天文學家對此意見也並不統一。
一派認為，由於宇宙中行星數量多，非常普遍，那麼像人類這樣的高等文明也應該是很普遍的；而另一派持相反意見，認為產生高等文明所需的條件非常苛刻，高等文明在銀河系中非常罕見，甚至可能只有地球上的人類一個。他們的一個論據是，太陽系和地球已經存在了50億年，如果高等文明很普遍，為什麼沒有發現任何外星人訪問地球留下的跡象？這就是著名的美國物理學家費米提出的悖論。解決這個悖論有多種可能性，不過最重要的尋找外星生命存在的科學證據，最直接的方法是星際旅行，去訪問別的行星系統。還有一種可能性，雖然高等文明罕見，但低等生命在銀河系中普遍；那麼在星際探測的早期，可考慮優先發展輕便的無人飛船去探索行星。如果發現這種低等生命，可以想像能幫助回答生命起源的未解問題，乃至提高生物技術水平。
張雙南認為，探索宇宙是人類必須做的事。「地球上面的高級生命是滅絕過的……下一次再有這樣的事件來的話，地球上的哺乳動物還照樣會滅絕掉。那麼，人類難道甘願讓我們的文明最終滅絕掉嗎？」張雙南說，如果人類不想滅絕，就必須想辦法離開地球。
移民火星並非終極解決辦法。太陽的演化最終會吞噬地球和火星，其他的災難也可能毀掉太陽系。張雙南認為，到火星去，只是人類很小的一步，最終要離開太陽繫到更大的宇宙空間去。「今天就要開始做準備，因為你不知道災難什麼時候來。也許現在都已經晚了……但如果一直不做，那早晚是會晚的。」
然而，以目前人類的技術水平，星際旅行仍然無法實現。天問一號從地球到火星大概要花200天，如果以光的速度旅行，只需要幾分鐘、十幾分鐘。如果我們想在人類的壽命範圍內達到其他的恆星，旅行速度需要達到光速的至少1/10。而以現在人類的技術水平，乘宇宙飛船從太陽繫到比鄰星需要幾萬年的時間。
鄭永春說，在這輩子的時間裡，我們可能會見證星際旅行，2022年可以看到中國在太空建成空間站。2030年之後，也許可以看到中國人登陸月球，而登陸火星則至少要到2040年以後，他說，「未來50年到100年之間，人類在火星與地球之間來去自如，應該差不多能夠實現。」
「我覺得太空旅行，最終如果人類有足夠的決心，是一定能夠做到的。但是人類要保護地球，有相當強的自我約束能力，不能在人類走向深空之前就自我毀滅掉。」 鄭永春說。
註：文章內容已由嘉賓審閱，直播及後續視頻中個別表述以後續文字為準。
