低成本的星际航班——抵达类地行星

本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛。

美国宇航局外行星档案馆显示，目前有4126颗被确认为太阳系外行星，也就是说，它们确实存在，围绕太阳以外的恒星运行。但不到30年前，我们唯一确定存在的行星是在太阳系中。在过去的几十年里，我们目睹了我们知识的真正革命。我们了解到行星轨道上的恒星是常态，而不是例外。我们发现其中一些行星和地球的大小相似，它们的轨道距离恒星的距离足以让液态水在表面存在。

最引人注目的例子是2017年围绕红矮星特拉普斯特-1旋转的七颗行星系统。通过哈勃和斯皮策太空望远镜以及其他地面望远镜进行的一系列精确观测，科学家们获得了关于这个行星系统的许多有趣的信息。七颗行星中有三颗位于红矮星的宜居地带。它们几乎可以肯定是像地球一样的岩石行星，和我们的星球差不多大。它们可能也有类似的大气层，因为它们不像太阳系中的气态巨行星那样又厚又以氢为主。这三颗宜居行星可能有液态水，甚至可能有生命形式。

主流媒体和社交网络广泛报道了特拉普斯特-1的七颗行星。没过多久，幻想就开始飞逝而过。如果地球在此期间变得不适合居住，也许这些行星可以被探索，甚至殖民。为了拯救人类免于灭绝，可以建造巨大的宇宙飞船，将成千上万甚至数百万的先驱者运送到离地球“只有”40光年远的红矮星行星上。

很有可能，许多积极参与星际旅行的人根本不知道星际间，尤其是星际间距离的实际尺度。让我们忽略这样一个事实：至少目前，我们还不知道这七颗行星中是否有任何一颗真正适合人类居住。假设其中一个是我们星球的完美”双胞胎“，拥有海洋和可呼吸的空气。事实仍然是，这些行星都离你很远，甚至送你一个机器人探测器去拍照的想法，到目前为止都局限于科幻小说的领域。

特拉普斯特-1行星系统的艺术表现。外行星之间的比例尺是它们所围绕的红矮星的比例尺。在每颗行星下面都有由Abel Mendez (PHL)计算的esi(地球相似指数)。根据esi，在系统的七颗行星中，trappist1d是最接近地球的。我们目前对特拉普斯特-1距离的最精确测定是用盖亚天体测量卫星测量的视差角得出的，该视差角为80.451毫秒。这相当于40.54光年的距离。“新视野”号宇宙飞船在2015年只花了9年的时间就到达了冥王星，以目前13.98公里/小时的速度飞往特拉普斯特-1，需要87万年。想象一下，用我们现有的技术，将数百万甚至数十亿人大规模转移到其中一个星球上是多么不可行！

必须指出的是，目前阻碍我们进行星际旅行的技术限制，无论是载人的还是无人的，将来都可以通过新的发现和发明加以克服。但是，无论如何，仍然存在着物理上的限制，这些限制是无法克服的，即使我们有非常先进的技术。例如，假设未来的一代科学家能够发明出能够将宇宙飞船推进到相对论速度（光速）的引擎。在这种情况下，前往数光年以外行星的飞机机组人员将受益于相对论所预测的时间膨胀效应，而不是那些留在地球上的人。

因此，在一个可能被派去收集关于可能的系外行星的信息的探险队和留在地球上的地球人口之间，在几十年的时间范围内，将不可避免地出现时间间隔。当探险家们回到地球时，他们就像过去的男男女女一样，在穿越了几十年的未来后，突然与世界其他地方重聚。他们会突然发现自己置身于一个他们不知道也不属于的环境中。与此同时，地球上的一切都可以改变，从政府的政治目标到可以继续或不继续殖民其他世界的经济资源。

即使是在火星上建立一个殖民地——它离地球的平均距离“只有”7800万公里，也只是距离特拉普斯特1号行星的2千万分之一——对人类来说，也是一个潜在的挑战。

但是，不能责怪那些想象航空业公司未来发展的人，这些公司出售星际飞行的机票，也许甚至是廉价机票。事实上，人类的共同感知和经验完全不足以让我们真正理解星际间的巨大距离。天文学家告诉我们，特拉普斯特1号和它的7颗行星离我们大约40光年远，我们也许能走得更远。然而，当我们把光年变成一个像公里一样熟悉的单位时，我们得到的数字是完全陌生的，不仅与我们的日常经验有关，而且与我们的想象有关：38.3万亿公里。38万亿英里是多少？太多了，我们的大脑无法把它想象出来。

为了在天文学中形成一种可接受的距离感知，你必须从比星际距离小得多的东西开始。你可以从太阳系开始，对我们地球人来说，这有点像后院。然而，即使在这个小范围内，也很难形成正确的距离感知。不幸的是，天文学书籍中的人物和网络上的图片都没有多大帮助。

实际上，距离是如此之大，以至于实际上无法按比例绘制太阳系。即使将很多折叠的页面插入教科书或使用巨大的海报格式也无法达到目标。在按比例绘制的太阳系示意图中，地球缩小到豌豆的直径，木星应放置在距我们星球300米以上的地方，冥王星将是两公里半（而且它的大小大约是一个细菌，因此仍然看不到）。距离我们最近的恒星应放置在16,000公里处。

想象一下，地球有豌豆那么大，要达到木星的正确尺度，木星，也许有核桃那么大，离地球有300米远。因此，你可以看到，太阳系中行星的任何图形表示都必然不足以提供一种有效的距离感知。

在这个体系中(在这个体系中)。维度是最重要的，距离是最重要的。事实上，有人已经实现了太阳系的真实比例表示。这不是打印出来的，这是散落在内华达州沙漠中的弹珠和气球。威利·奥弗斯特里特和亚历克斯·戈罗什在一段视频中记录了这幅作品，视频浏览量达到了数百万次。问题是，即使是这个实验也无法产生一种直观的观点，即太阳系中的行星与它们之间的巨大距离相比有多小。

据我所知，到目前为止，太阳系中太阳、行星和距离的正确比例的最佳代表是一位名叫乔希·沃斯的平面艺术家所创造的比例。乔希用的是网页而不是印刷版。它创建了一个刻度界面，允许我们水平“滚动”太阳系，就像从太阳到冥王星的一页长。使用的刻度是1像素。也就是说，我们的月球——实际上直径3674公里——只有一个像素那么大。太阳看起来像一个美丽的黄色圆圈，行星看起来像小球。但是，真正能说明行星大小和它们之间的距离之间关系的是(乏味的)水平位移的长度，你必须通过这一页才能一个接一个地到达水星、金星、地球、火星、木星等。它被称为“如果月亮只有1像素”。花几分钟在太阳和太阳系行星之间“航行”是值得的。

乔希·沃斯创建的页面上有按钮，可以直接从一颗行星的位置跳到下一颗行星的位置。但我建议我们做一个小实验，这需要一点耐心：从太阳开始，然后水平滑动到冥王星。这需要时间。也许在此期间，你可以下载你的鼠标电池或平板电脑电池。然而，当你到达冥王星(即冥王星与太阳的平均距离)时，你会感到满意的是，你离太阳的距离是328.5光分钟。这是阳光到达地球的41倍。

好吧，您已经远离家乡了，您认为您只是在到达TRAPPIST-1的七个行星（距太阳40.54光年）时应该走的长途旅程的开始。

事实上，空间几乎是空的。由恒星、行星、小行星、彗星、星云等组成的物质。它就像一个非常分散的小颗粒，在黑暗、空虚的太空中穿梭。这就是为什么两个星系也和合并，而几乎没有碰撞的风险。