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住在银河系让你增寿1小时,逃出银河系让你长生永不死

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高速逃离银河系中心的恒星(艺术图),蕴含了延缓衰老的诀窍,图片来源:NASA

撰文 | 郑晓晨(北京天文馆)

责编 | 王馨心、吕浩然

  • 长生不死,自古皆求

时光易逝,最是人间留不住。从古至今,浪漫的中国人向来不乏对时间的咏叹,所谓“光阴似箭,日月如梭”“逝者如斯夫,不舍昼夜”,多多少少带着些“岁月不居,时节如流”的无可奈何。如何踩住时光的尾巴,摁下岁月的暂停键?这不仅仅是帝王霸主才会做的长生美梦,也是每个人都会好奇并关注的问题。

东晋穆帝永和年间,虞喜所作的《志林》当中,记录了这样一个故事,很短,不过寥寥数语,却细思恐极:“信安山有石室,王质入其室,见二童子方对棋。看之,局未终,视其所执伐薪柯已烂朽,遽归乡里,已非矣。”后人也称这个故事为“王质烂柯”,大意讲了一个名为王质的砍柴人,机缘巧合下误入某个石洞,观了场棋局,怎料棋局还未结束,手中的斧头居然已经烂掉,归家后才发现早已沧海桑田物是人非的故事。有趣的是,作者虞喜并非文学家,他实际上是晋代著名的天文学家,也是我国最早发现恒星年和太阳年岁差并付诸精确计算的科学家。所以,相较于志怪小说,这个“洞中方一日,世上已千年”的故事更倾向于一个具有先锋意义的古早科幻。

1915年,在遥远的西方,爱因斯坦不知道有没有读过这个来自东方的科幻故事,但重要的是,他跳脱出了经典牛顿力学的桎梏,敏锐地洞悉了时空的真相,提出了革命性的广义相对论。根据广义相对论的预言,质量导致时空弯曲,因此,引力势阱中的时间流逝得更为缓慢。

而烂柯人王质很可能误入了某引力势阱才经历了石洞内、外截然不同的时光变迁,这也算是从科学层面为这个玄幻故事找到了合理的解读。就在不久前,科罗拉多大学的一组实验人员刚刚发布了一项精度极高的实验结果,他们利用超冷锶原子样本成功测量了由地球引力所造成的时间延长效应。当然,这一时间延长效果仅仅体现在极微小的尺度,在1毫米的高度差上,时间相差约为1019分之一,这种难度无异于在浩渺宇宙中精准地找出太阳,广义相对论的正确性已毋需多言。


图1:质量与时空弯曲,可以看出质量越大、弯曲的程度也越大,改自图源:C. Carreau/ESA, via Physics,其中地球、太阳与银河系大小并非按照实际比例显示。

  • 银河系的馈赠:额外的1小时

根据广义相对论,质量越大,时空弯曲程度则越大(见图1),就如同陷在网中的铁球,铁球越重,网兜塌陷的越深,时间拉伸地也更长久。所以,理论上讲“长生”并非虚妄,前提是我们能够陷入一个足够深的引力势阱中。

从这个层面上讲,我们已经足够幸运。我们所生活的银河系,恰恰是一个还算可观的引力势阱,相比于那些如无根浮萍般飘荡在宇宙间的其它生命体,银河系已经尽其所能地延缓了我们的衰老速度。得益于银河系的庇护,我们甚至能够估算出白赚的时间,诀窍就是追踪那些高速转动并试图逃离出银河系的恒星,来计算银河系的势阱深度。

据观测,太阳周围那些逃离未遂的高速恒星群体的最高转速约为每秒五百公里,几乎是光速的六百分之一。综合这些恒星的动能,我们就可以粗略预估出银河系的引力势,进而推算出,银河系的引力势阱将导致我们的时间膨胀(约)百万分之1.3。如果人类的典型寿命是70-90 年,那么我们得天独厚的诞生环境为我们争取到额外的(约)1个小时寿命,来思考宇宙。

  • 逃离银河系的“永生”法门


银河系的馈赠不止如此。实际上,宇宙间还游曳着很多速度极快的恒星,它们就如同海洋中的旗鱼一样高速穿梭在茫茫太空中。这些高速恒星很可能是星系并合的产物。

在星系并合的过程中,它们恰好不幸地处于星系并合的焦点。两个星系中心的超大质量黑洞将通过踢除这些恒星而缩近彼此间的距离,就如同击球手在公园里打出一系列的本垒打一样。随着两个黑洞的轨道收缩,撞击弹射更为用力,大量无辜的恒星由于引力弹弓效应喷射出来,成为高速抛射的恒星群体。根据爱因斯坦的狭义相对论预估,这些恒星群体的抛射速度甚至可比肩光速,因此它们往往也被赋予“相对论性”的前缀。


图2:星系的并合过程,图片来源:NASA/ESA/Hubble

2014年,美国哈佛大学理论物理学家A. Loeb和其博后J. Guillochon预估了在广阔无垠的宇宙中,“相对论性”高速恒星作为星系并合的产物,数目可能相当丰富。如果借助全天的红外望远镜WFIRST或Euclid,自行巡天项目诸如LSST以及JWST光谱等世界一流的观测设备,未来应该能够找到数以百计的“相对论性”高速恒星[1]。

不过,高速恒星的制造方法却并非只有星系并合一个答案。1988年,天体物理学家J. G. Hills通过理论预言了一对密近双星系统靠近银河系中心时“劳燕双飞”的命运[2]。由于银心区域超大质量黑洞强大的潮汐瓦解作用,这对密近双星将被强行分开,各自面对迥异的未来。一颗恒星将不由自主地靠向黑洞成为银心区域众多恒星中的一员,最终难逃被吸积的宿命;而另一颗恒星则借助于同伴的牺牲重获新生,高速逃脱出银心的束缚,成为一颗自由自在地游荡在银河光晕中的特殊天体。这一机制也被称为Hills机制(如下图)。


图3:高速飞射恒星的双星起源——Hills机制,图片来源:改自文献[3]

2005年,哈佛天体物理学家W. R. Brown及其合作者首次在银晕中发现了一颗高速游离的恒星[4],此后数年,天文学家又陆陆续续发现了几十颗类似的银心叛逃者。这些高速逃离银心的幸运儿,飞行速度可能高达光速的2%。而且,它们甚至可能并非孑然一身。2013年,哈佛天体物理学家A. Loeb和学生I. Ginsburg等人利用数值模拟的方法评估了恒星携带行星一起高速逃离银河系中心的可能性,据说,未来我们甚至能用掩星法探测到这些高速飞离的行星系统[5]。


图4:银河系和高速恒星示意图,图片来源:Kong Xiao of NAOC

这无疑是一个非常有意思的推论。想象某一天,我们生活的地球也能随着主星太阳一起被喷射出银河系,这将会是一场多么惊心动魄的太空之旅。我们将从银河系中心启程,一路风驰电掣,见证银河系内的众多旖旎风光,并在百万年内,最终到达银晕的边缘。此后的十数亿年时光,地球将携带人类文明自由地穿梭于星系间,途经那些望远镜目不能及的宇宙深处。这场前无古人后无来者的星际穿越套餐,同时也将是一次延年益寿的长生之行。这样一场接近光速的旅行,其时间膨胀效应,将足以延缓所有相对论旅行者的自然衰老过程,为亲历者争得一副长生之躯。

  • 天外来客与沟通困境

即便当下我们不能亲历这场相当划算的(近)光速之旅,也应该将望远镜对准银河系中心,尤其是人马座A*,在那里,一个超大质量黑洞也许正弯弓拉箭蓄势待发。正如同宇航员和观众在火箭发射期间纷纷涌向火箭发射地一样,某些图谋星际旅行的先进文明很可能已经向银河系中心进发。通过监测来自银河系中心区域的超高速喷射事件,或许某天我们能够围观某个宜居行星随其主星抛射出来的全过程。这些高速飞射的行星,如果是承载了其它地外文明的世外桃源,幸运的话,我们或许还能观赏一场来自外星的烟火。

不过,我们或许也很难与外星文明正面交锋。想象一下,十亿年前,在某颗遥远的恒星周围,环绕着某颗孕育了地外文明的宜居星球,生活在其上的外星人类决定通过广撒网的方式,向整个银河系分发传单,来昭示他们的存在或宣传自己的文明。这些传单类似于邮寄中的信件或漂浮瓶中的纸条,它们将携带寄件人希望传达的信息离开发源地,穿越漫长的时空,哪怕母星寂灭,文明倾覆,它们依然可能飘荡在宇宙间。

从银河系逃离,速度需达到(约)光速的千分之一,而迄今为止,我们应用在航天器中的化学推进速度不过银河系逃逸速度的十分之一。假设这些外星传单以实物形式在银河系内分发,它们很可能被束缚在银河系中,一路风尘仆仆地穿梭了数十亿年,才被我们发现。另一方面,如果这些外星传单是以光速传播的电磁信号,它们将在数万年间穿过银河系不复回。相较于银河系一百多亿的年龄跨度,数万年不过白驹过隙。如果足够幸运的话,这些电磁信号可能在驶离银河系前被探知,但其实,它携带的不过是因旅途延迟的过期讯息。

2017年10月19日,我们首次发现一个太阳系外的来客——小行星奥陌陌(Oumuamua)。这个远道而来的天体以每秒26公里左右的速度从天琴座方向沿双曲线轨道冲进太阳系,几乎垂直于黄道面。根据它的反光情况推断,它应该是一个雪茄状(表面)颜色偏红的固态天体,长约数百米,宽约数十米[6]。奥陌陌与其它所有已知的太阳系内小天体不同,它以极高的轨道离心率(约为1.2)穿越了整个太阳系,虽然近日点只有(约)四分之一个日地距离,却没有拖拽出一条长长的彗尾。或许原因在于,它是一份来自其它文明的薄薄传单。不过,这样一个天外来客,太阳系自不会是它的终点。目前,它已越过天王星,正加速向飞马座方向驶去,大概在兢兢业业践行作为信使的职责。


图5:奥陌陌艺术图(上图源:ESO/M. Kornmesser[6])与数值模拟图(下图源:NAOC/Y. Zhang[7])

不过,即使我们真正接收到了来自地外文明的信号,如何与之交流将是一个更为艰巨的任务。毕竟即使共处同一个星球,共享同一套通信设备的地球人之间尚且存在交流壁垒,更何况与跨文明的外星人间互通有无。未来,如果我们能够有幸通过信使与外星文明间接接触,最可能的沟通方式还是应该寄希望于涵盖了高级算法的人工智能系统。当然,这些系统必须足够智能,拥有根据愿景自主行动的能力。当下的人工智能虽然难堪大任,不过还是未来可期。一旦人工智能算法能够圆满解决元宇宙中人类的跨文化交流问题,那么应用到跨文明的交流也应水到渠成。或许,未来我们面对的外星来使也是人工智能宇航员,能够在不同星际语言频道间轻松切换,谈笑风生间化干戈为玉帛。

几年前上映的科幻电影《降临》(Arrival),就描绘了这样一个跨文明交流的愿景:某一天,携带着外星人的太空船降临地球,顶级的多语言学者试图掌握外星人的语言规律,了解外星人到访动机。可壁垒无处不在,国与国间的猜忌与误会,隐晦复杂的外星符号,大战一触即发,世界动荡不安。不同文化、文明间的成见,语言表达方式的差异性等等话题确实是未来值得深思的方向。不过,电影对这类建设性问题的探讨仅仅浅尝辄止,结局就如同所有美式电影一样难免俗套,最终破局都要靠一个心怀大爱的美国英雄(嘴炮王者)三言两语间力挽狂澜拯救世界,维护了宇宙的和平,这大概也是一种反讽现实的艺术形式吧。

虽说这是一部典型的披着科技外衣的美式英雄主义电影,我们还是能够提取一些有用的启示。比如,我们期待中的与外星生命的相遇,是一场和平的邂逅而非资源掠夺与兵戎相见。

此外,我们的语言往往受限于我们的想象力。所以,对意料之外的事实保持开放的态度,将极大丰富我们的词汇量。最后,灿烂的未来一定是属于团结互信的人类,毕竟,相比于遥遥无期的抗衰时空之旅,因信息缺失、交流不畅所引发的冲突与对抗,其带来的生存风险当下更显迫在眉睫。

  • 后记:了解宇宙、方得永生

曾经制霸全球长达1.6亿年的恐龙,大概从未想过抬头看一看头顶上方的那片星空,结果,当希克苏鲁伯小行星撞击北半球时,一个时代至此终结。所以,了解我们的同类,了解太阳系、银河系,乃至了解整个宇宙,才是人类能够延续长久的关键。

银河系长生指南最终篇:了解宇宙,方得永生!

注释及参考文献:

本文主要参考自A. Loeb的两篇科普文章,部分观点陈述有所更改:

https://avi-loeb.medium.com/milky-way-gifts-to-life-expectancy-6e2871ccdad7

https://avi-loeb.medium.com/communicating-with-extraterrestrials-9eaf20b15def

Avi Loeb —— 伽利略计划的负责人,哈佛大学黑洞计划的创始主任,哈佛-史密森天体物理中心理论与计算研究所所长,哈佛大学天文学系前任系主任。他同时是 Breakthrough Starshot 项目的顾问委员会主席,也是美国总统科学技术顾问委员会的前成员,并担任了美国国家科学院物理和天文学委员会的前任主席。著有畅销书:《外星人:地球以外智能生命的第一个迹象》和《宇宙中的生命》,均于2021年出版。

其它补充参考文献:

[1] https://arxiv.org/abs/1411.5022

[2] https://www.nature.com/articles/331687a0

[3] https://doi.org/10.1146/annurev-astro-082214-122230

[4] https://iopscience.iop.org/article/10.1086/429378/pdf

[5] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2013AAS...22123403G/abstract

[6] https://solarsystem.nasa.gov/asteroids-comets-and-meteors/comets/oumuamua/in-depth

[7] https://www.nature.com/articles/s41550-020-1065-8

制版|Livan


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