第248章 流浪行星

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  李水旺新一期視頻:

  今天我們來探討流浪行星。

  那麼,讓我們從最明顯的問題開始:什麼是流浪行星?

  簡而言之,流浪行星並不僅僅指「流浪地球」,指的是那些要麼被逐出原生太陽系,要麼完全在星際空間中形成的天體。

  所以嚴格來說,它們根本不是行星 —— 不過這在我們這個系列中並不新鮮。

  我們一開始探討的是冥王星這樣的矮行星,上一次我們關注的是大型衛星,而且這也將是這個系列的常態,原因很簡單:圍繞普通恆星運行的普通行星實在太無聊了。

  達爾文的著作出版至今已經一個半多世紀了,但我們仍然不知道生命起源(生源論)究竟是如何發生的。

  目前主流的科學候選假說按優先級排序大致是:熱液噴口、潮間帶和泛種論,但我們並不確定,因為我們無法觀察到生命起源的過程,而且不出所料,要尋找數十億年前的證據也相當困難。

  說實話,這三種假說中的任何一種都可能促成生命起源,也可能都不能,或許我們需要一種新的理論。

  但有一點似乎是合理的:無論地球上的生命是如何起源的,它很可能也會發生在與地球非常相似、圍繞著與太陽相似的恆星運行的行星上。

  同樣,如果你看過關於地球化改造的視頻,就會知道殖民任何一顆行星都是一項艱巨的任務,但目標行星與地球越相似,任務就越容易。

  因此,探討生命可能如何在類地行星上起源,或者我們如何殖民這些行星,在這個系列中並不是那麼有趣。

  我們感興趣的是極端情況、異常現象,是那些看起來似乎不可能存在生命,或者我們不會想要定居的地方。

  而流浪行星乍一看,幾乎就是這種地方的縮影:冰冷、黑暗,沒有一絲陽光,完全不適合生命生存。

  但再仔細想想,無論是作為生命的發源地,還是作為我們可能想要殖民的地方,它們可能都比最初看起來要宜居得多。

  事實上,對於後者 —— 殖民來說,正如我們將在即將推出的星際殖民視頻中看到的那樣,它們可能是周圍最有價值的 「不動產」,也是我們在星際間擴張的關鍵。

  另一點需要記住的是,「流浪行星」 是一個非常寬泛的範疇。

  當我們使用這個術語時,我們並不是在談論那些現在被歸為特殊(儘管很有趣)類別、有時被稱為 「孤狼行星」 的褐矮星,我們指的幾乎是任何物體:從相當大的小行星,到比木星還大的氣態巨行星,這些氣態巨行星可能還擁有自己的衛星。

  本質上,我們指的是星際空間中的任何天體 —— 這是一個龐大的類別,很多物體都屬於這個範疇,它們彼此之間唯一的共同點就是體積相當大且沒有陽光照射。

  一旦遠離了太陽的光線,維持生命所需的能量就必須來自其他地方,而生命確實需要一個能量來源。

  早在很久之前的科普中,我們就提到了一些能量來源,以及生命可能使用的、不同於地球上生命所採用的化學方式。

  關於能量,我們有來自衛星的潮汐加熱 —— 流浪行星可能擁有衛星,它們可能是在太陽系中運行時捕獲的,或者是在深空里捕獲的,而且它們很有可能保留住原生的衛星。

  潮汐加熱可以是一種非常強大的能量來源,尤其是在沒有陽光遮擋的情況下。

  行星核心中的放射性同位素(如鈾)也能提供熱量。

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  對於氣態巨行星這樣的大型天體來說,引力收縮產生熱量也是一種可能的能量來源。

  不過,這些能量來源提供的能量都不多 —— 這一點很重要,因為即使一顆遠離太陽的行星是溫暖的,也並不意味著那裡會存在複雜的生命。

  生命的繁榮不僅僅是因為某個地方溫暖,它還需要持續的能量輸入(能量通量)。

  例如,地球上有生活在地下洞穴中的生命,但這些生命的分布非常分散,生物量遠少於地表,而且通常是新陳代謝緩慢的生物和植物。

  這些未暴露在陽光下的生命,大多依賴於上方太陽能生態系統產生的廢物,或者來自熱液噴口等地方的、可供它們通過新陳代謝獲取能量的化學物質。

  光合作用是地球上生命密度極高的原因,但對於流浪行星來說,光合作用基本上是行不通的。

  我說 「基本上」,是因為物體都會以與其溫度相關的速率和波長發射光子。

  我們發現,不僅有生物依靠熱液噴口的熱量和化學物質生存,還有一些生物(如某些類型的綠色硫細菌)能夠利用這些光線生存 —— 尤其是紅外線,特別是中紅外波段的光線,這種光線也被稱為熱光。

  不過,這種光線也無法帶來極其豐富的生命生長,但它確實為流浪行星上的生命增加了又一種可用的能量來源。

  生命所需的能量來源必須是穩定的,而且能量越多越好。

  但即使是在相當大的小行星上,核心中也可能有鈾塊在衰變並釋放熱量,這些熱量會通過裂縫散發出來,形成富含礦物質的水窪 —— 這基本上與地球上被認為是生命起源主要候選地的 「黑煙囪」(熱液噴口)的環境條件相同。

  同樣,正如我所提到的,兩顆流浪行星相互環繞並產生潮汐加熱,這也並非什麼奇怪的事情。

  地下的水體附近也可能存在放射性物質礦脈,就像奧克洛天然核反應堆那樣。

  我們在地球上也見過這種情況:地下水滲入鈾礦儲量豐富的地方,起到中子慢化劑的作用,就像人工核裂變反應堆一樣,使這些礦脈的能量輸出超過自然衰變的水平。

  接下來需要考慮的是,流浪行星可能並不只是太空中的大型岩石。

  在星際空間中,氫和氦的含量非常少,甚至其他氣體也相當稀薄,太陽會剝離行星的大氣層。

  深空中有電離輻射,但輻射量並不多,而且沒有太陽光線來加熱行星表面,從而使大氣層剝離過程更容易發生。

  因此,太空中的任何天體都有可能捕獲大量的星際氣體。

  如果你的星球周圍包裹著數英里厚的氫氦層,那麼這將形成一層非常好的隔熱層,並且強烈暗示這些流浪行星上可能存在海洋。

  以一顆擁有衛星(如土衛六、木衛二)的流浪氣態巨行星為例 —— 我們已經認為這些衛星是可能存在生命的候選地,它們的運行機制很少依賴於太陽。

  土衛六有濃厚的氮大氣層,還有大量的甲烷,其熱量主要來自於自身的自轉;木衛二的地殼下有一個巨大的海洋,表面覆蓋著冰層,它的熱量也來自於木星的潮汐加熱。

  如果生命能夠在這兩顆衛星中的任何一顆上進化,那麼它們也完全可以在星際空間中的流浪行星(或其衛星)上進化。

  那麼類地流浪行星呢?

  事實上,讓我們來設想一下,如果地球及其衛星被逐出太陽系會發生什麼。

  不用說,這種驅逐加上失去陽光,幾乎會殺死地球上所有的生命 —— 不過這個過程會持續很長時間,而且有些生命可能根本不會死亡。

  地球上儲存著大量的熱量,而且溫度越低,熱量散發的速度就越慢。

  此外,隨著行星溫度下降,海洋會結冰,形成一層隔熱層,將熱量困在深海中。

  到那時,表面的水都會結冰,但大氣層仍然存在 —— 氮和氧要在相當低的溫度下才會液化。

  但在冰層之下,被捕獲的熱量(同時行星核心中的放射性物質仍在持續產生熱量)會使深海保持溫暖,這些熱量會通過熱液噴口泄漏出來,生命將在那裡繼續存在。

  我們的衛星也會繼續為我們提供潮汐加熱,使情況變得更溫暖、更穩定。

  不過,最終大氣層也會液化 —— 地球核心產生的熱量僅為我們從太陽獲得熱量的三千分之一,而且請記住熱輻射的四次方定律:我們預計溫度會下降到現在的三千分之一的四次方根,大約是現在的七到八分之一,也就是約 40 開爾文(約 - 233 攝氏度),這個溫度足以讓氮和氧都液化,但還沒有冷到讓氫液化(非常接近,但還不夠),而氦則需要更低的溫度才能液化。

  所以,如果地球漂流到太空中,我們將不再捕獲大氣層中的氫和氦,但這些氣體會非常緩慢地開始積累,而且我們還會捕獲一些彗星和其他天體。

  如果捕獲的氣體足夠多,那麼在這層新的大氣層之下,可能會產生足夠高的壓力和溫度,使氮再次轉化為大氣層。

  因此,冰層之下會有一個水海洋,冰層之上可能會有第二個由液態氧和氮組成的海洋,再往上則是越來越厚的氫氦大氣層。

  比地球大得多的行星會更溫暖,而較小的行星則會更冷 —— 我們預計幾乎所有足夠大、能形成雙行星系統的天體都會如此。

  這類行星有時被稱為 「孤狼行星」,特指質量略低於地球到略高於地球三倍質量的行星。

  這些行星會有一層由冰、乾冰(二氧化碳雪)以及它們在孤獨的太空中捕獲的其他物質組成的隔熱層,使得地下液態海洋能夠在來自熱液噴口的地熱活動加熱下存在。

  我們不能完全確定 「孤狼行星」(即擁有地下海洋的流浪行星)是否存在,因為我們無法很好地預測某顆行星上的冰層最終會有多厚。

  冰層會從表面向下生長,直到與來自地幔的熱量達到平衡,但不同行星的冰層厚度差異會很大 —— 我們最好的猜測是,地球大小的行星的冰層厚度接近 1 公里,而較小的行星的冰層厚度可能達到數英里。

  此外,熱量主要是通過對流還是傳導傳遞,也會進一步影響冰層的動態。

  這些 「孤狼行星」 是我們今天主要關注的對象,因為較小行星(本質上是冰質碎屑或小行星)上的生命是我們已經部分討論過的話題,而且小行星上的生命與太陽系小行星帶或深空中小行星上的生命並沒有太大區別。

  同樣,氣態巨行星本身(不包括衛星)我們將在系列視頻的後面部分探討,因為無論是流浪行星還是圍繞自身恆星運行的行星,氣態巨行星的運行方式大體相同。

  質量明顯大於地球的 「孤狼行星」 很可能擁有更深的海洋,並且會產生更多的放射性加熱 —— 畢竟,一顆與地球組成成分和密度相似,但質量是地球兩倍的行星,其放射性加熱量會是地球的三倍,水量會是地球的兩倍,而表面積僅比地球大 60%(熱量散發的面積也相應更小)。

  超級 「孤狼行星」 可能能夠支持相當活躍的水下生態系統,儘管與地球上的海洋生命相比,這些生態系統會顯得相當 「貧瘠」—— 即使是地球上的深海生命,也會從上層受陽光滋養的生態系統中獲得有機物質下沉帶來的第二種能量來源。

  而且這類行星的數量可能相當多 —— 目前的一些估計表明,流浪行星(包括從木衛二、土衛六這樣的大型衛星大小,到超級木星大小的天體)的數量可能達到每顆恆星對應 10 萬個左右,這意味著它們的數量將遠遠超過太陽系中類似大小的天體(太陽系中類似大小的天體數量約為 100 個,而不是 10 萬個)。

  這還不包括小行星這樣的較小天體,我們預計這類天體的數量會更多。

  但如果我們暫時假設這個估計是正確的,並且這些流浪行星在太空中分布相對均勻,那麼它們之間的距離僅為幾光周 —— 這與太陽系中中外層天體之間數光時的距離相差甚遠,但比其他恆星系統之間數光年的距離近得多。

  如果再把小行星算進去 —— 僅太陽系的小行星帶就有大約 100 萬個直徑 1 英里以上的小行星,其數量是太陽系中所有行星和大型衛星總數的 1000 倍以上 —— 如果這個比例在星際空間中仍然成立,那麼在流浪行星每幾光周出現一次的星際空間中,小行星可能每一兩天(光天)就會出現一次。

  但這一點在我們討論星際殖民時會非常重要,因為這意味著恆星系統並不是太空中彼此相距數光年的 「孤島」,而更像是廣袤無垠的 「鄉村平原」 上分布的 「城市」。

  回到 「孤狼行星」—— 那些質量和內部組成與地球相當接近的流浪行星,我們已經看到,它們可能是生命起源的較好場所,但就像我們在討論冥王星時提到的那樣,即使那裡存在生命,你也不會期望生命會非常豐富。

  我們如何改變這種情況?我們如何殖民這樣的地方?

  同樣,如果你看過關於核聚變的視頻,你就會知道我們可以選擇人工為這個星球提供光照。

  我在那期視頻中提到,要人工模擬紐約市通常接收到的陽光,每年大約需要 10¹⁶焦耳的能量,或者大約 10 千克的核聚變燃料(氫或氘,這兩種物質在深空都很常見)。

  而要像太陽那樣照亮整個地球大小的行星,模擬一個 「人造太陽」,則需要更多的能量 —— 每年大約需要 5 到 6 兆噸的核聚變燃料,這聽起來很多,但相比之下,如果這顆行星擁有與地球大氣層質量相當的氫大氣層(約 50 億噸),那麼僅靠這些氫大氣層,就可以提供 10 億年的燃料供應,更不用說還有所有的氫海洋了(地球海洋的質量大約是大氣層的 1000 倍)。

  當然,如果你要殖民一顆 「孤狼行星」,你可能不會選擇這種方式。

  相反,你可能會決定讓它保持冰封狀態,只需在海洋中放置一些潛水式核聚變電站,發出一串串光線,並向海洋中引入光合生物。

  如果你想讓地球上的深海擁有更多生命,也可以採用類似的方法:在某個地方放置一個浮動核聚變電站,將所有的冷卻水通過管道向下輸送,同時在管道上安裝經過人工優化的 LED 燈,讓這些 「人造太陽」 延伸到深海。

  尤其是如果再添加一些收集礦物質和營養物質的網,你最終可能會得到長長的、壯觀的垂直珊瑚礁,孕育著大量的海洋生物。

  即使這顆行星的底部(熱液噴口附近)已經存在生命,你也可以在上方的冰層上建造城市,並慢慢將冰層融化到只有幾百米厚的薄層。

  然後,在這些新的上層區域,你可以安裝提供光線和給水體充氧的裝置,並引入第三種生命形式 —— 這些生命產生的碎屑會下沉到深海,為底層的生態系統提供食物。

  如果操作得當,這兩個生態系統可以保持分離且安全,同時讓原來的生態系統變得更加活躍。

  我不知道這種方式與其他殖民方式相比有多實用,但就我個人而言,我覺得在黑暗的深海中,通過牽引式燈光打造生命綠洲的想法非常有趣。

  以上就是關於流浪行星的全部內容了。


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