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[百家杂谈] 人类能走出银河系吗?

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发表于 2022-5-12 07:26 PM | 显示全部楼层 |阅读模式


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人类能走出银河系吗?

作者 / 太空精酿

最核心的硬核约束是逃逸速度,不以人类意志为转移。

在人类现有的认知范围内,万有引力定律、能量守恒定律和牛顿运动定律在宇宙中是普遍适用的,这也就衍生出了任何一个天体都有的航天器逃逸速度概念。

可以简单理解为:在这个速度下,一个航天器拥有的动能终于和它对天体的重力势能平衡了,动能可以完全转化为势能。

再可以简单理解为:这货飞出去后,即便被天体引力拖着不断减速,但它依然能逃到无限远的地方,速度也变得无限趋近于零。

只要超过逃逸速度,就肯定能永不回头。

显而易见,这个逃逸速度跟天体的质量和跟天体的距离有关系。

例如在火星表面,需要 5km/s;在地球表面,需要 11.2km/s;在木星表面,就需要 59.5km/s 了。

距离天体越远,引力越弱,越容易逃离。例如在太阳表面时,需要 600km/s;但是在地球附近,由于距离太阳很远以及地球运动带来的惯性助力,逃离太阳反而只需要 16.7km/s 了。

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从地球上看到的银河系一角,已经是无数的恒星

那么,现在看看银河系。

超级巨无霸!

这货里面保守估计有 1000-4000 亿个恒星,直径 10-18 万光年。在银河系中心,大家普遍认为存在着巨大的黑洞。

黑洞的逃逸速度,是超光速。换句话说,连光都逃不出去,只能被困在事件视界内,这也是为什么它叫「黑洞」的原因。如果我们住在银河系中心附近,就不用想着逃出去了。

幸运的是,太阳系所在的猎户悬臂距离银河系中心很远,我们逃离银河系反而变得「容易」很多,所谓的从地球出发逃离用的第四宇宙速度,大家认为只有 500+km/s。这个数据众说纷纭,因为大家对银河系的质量、半径之类的并没有精准的认知,但八九不离十。

这意味着我们的航天器达到这个速度之后,把它从地球上向着银河系外放出去,只要路上不撞到东西(包括直接冲进大天体引力希尔球),就肯定能逃出银河系。

可是,给一个有一定质量的航天器(哪怕仅有几吨吧)获得 500km/s 的速度增量,现在的人类科技还远远做不到。

即便是借助其他大型的恒星引力助力,对于现有的人类而言更是理论而已,因为我们对系内充满了未知。面对的风险远远超过用木星金星的借力,还不如不做。

从第三宇宙速度(逃离太阳系)的 16.7km/s,到第四宇宙速度的 500km/s,看似只有 30 多倍的增长。但动能公式告诉我们,航天器的最终动能需求会是速度的平方,也就是 1000 倍!这些都直接反映到火箭里的一个概念,特征能量 C2。

而且目前只能靠火箭来弄,摄星计划之类的都是幻想,因此实际情况下这个 1000 倍会进一步增加。因为这也带来了一个大问题,火箭自己也是重量、也要消耗到巨大的能量啊,更何况最终能量要求是暴增到逃离太阳系的 1000 倍,自身出发时需要的变化要更多。火箭越重,自己连飞都飞不起来了,还有个毛线用处。

现在人类的火箭极限是什么呢?用我《下一站火星》书里的原话好了,新视野号,

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新视野号是人类史上唯五、且最快的逃离太阳系探测器,可悲的是最近 20 年内人类都没有新的逃离太阳系任务了
探测器的动能来自火箭,根据动能定理(能量跟速度的平方成正比),探测器 飞得稍远一点就需要更高的速度逃离,对火箭供能的要求会大幅提升。一次彻底摆 脱太阳引力的任务对火箭要求极高,目前仅有 2006 年发射的新视野号在离开地球 和太阳时达到并超过这个速度(相对太阳速度在 45 千米 / 秒左右),当时是一个 重达 569 吨的宇宙神 V-551 型火箭全力推送一个 0.478 吨重的探测器。其他四个目 前能够脱离太阳系的探测器(1972 年先驱者 10 号和先驱者 11 号,1977 年旅行者 1 号和旅行者 2 号)就要依赖木星等各大行星的「引力助推」才可能实现,甚至新 视野号在飞行途中也受到木星「助推」。

人类历史上只有的这一个探测器能直接飞出太阳系,代价是 569 吨火箭全力推 0.478 吨。

要把最终的速度提升到逃离银河系、相对新视野号再提升 1000 倍的动能,显然是远远远不够的,人类做不到,连擦个边都是奢望。

而且即便达到了又如何呢,一旦出发后巨大的引力便会让航天器迅速减速,旅程实际上在越来越慢。再以人类史上距离地球最远的航天器旅行者一号为例,自从 1977 年发射至今天(2022 年 2 月 26 日),它已经连续工作 45 年之久了,旅途远达惊人的 233 亿千米。

但这个距离,光速仅需要 21 个半小时就可以走完了,还不到一光天。而且旅行者的速度还在不断降低。就算抵达距离太阳最近的恒星半人马座,都需要至少数百万年。

人类历史才几千年,几百万年太遥远了。

这还是最近的恒星,银河系里可是有数千亿颗恒星呢。

人类几十年的寿命,在这种尺度算个啥。

要逃离银河系,就基本是搞笑了。

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