鞠强：当幻想照进现实——从科幻电影看太空探索新发现

 

鞠强 中国科学技术出版社人文科学编辑部副主任

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一、《独行月球》——小行星防御

2022年7月29日，电影《独行月球》在国内上映。该片讲述了一颗名叫“π”的小行星正向地球来袭，人类为了拯救地球，在月球上部署了拦截小行星的月盾计划。不幸的是，由于核导弹发生偏离，并没有完全摧毁小行星，小行星的部分碎片撞击了月球，形成了大量的陨石雨，全员必须紧急撤离月球基地，电影主角独孤月由于意外错过了撤离通知，一个人留在了月球。

《小王子》是著名的儿童文学短篇小说。这部小说讲述了主人公小王子在离开所在星球后，在六颗小行星游历时遇见的诸多奇闻。我相信，许多人也是从这部小说中第一次了解了小行星，但是，小说里对小行星的描写是经过文学加工的，并不是真正意义上的小行星。在天文学上，小行星是指在太阳系内类似于行星围绕太阳运动，但体积和质量相对较小的一种天体。

1930年，克莱德·汤博发现了一颗神秘而又遥远的行星——冥王星。在接下来的几十年间，太阳系内拥有九大行星曾经被认为是一种共识：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星。但是在2006年，国际天文学联合会正式将冥王星降级为矮行星。矮行星的体积介于行星和小行星之间。

提到小行星的威胁，我们就一定会想到恐龙的灭绝。小行星撞击地球说是恐龙灭绝的说法之一。如果恐龙灭绝的时间离我们太遥远，那么，20世纪初还有一件著名的天体坠入地球事件。1908年6月30日，一颗冲进大气层的小行星在俄罗斯西伯利亚通古斯上空发生了爆炸，据估算，爆炸威力相当于2000万吨TNT炸药，影响范围超过2150平方公里。进入21世纪后，还有一件著名的天体坠落事件。2013年2月15日，一颗直径约18米的小天体进入大气层，在下降过程中变成了超级火球，在俄罗斯车里雅宾斯克上空爆炸，该事件造成约上千人受伤，数千栋建筑物遭到损毁。经估算，这颗小天体是在空中30千米处爆炸的，可见这种进入地球大气层的小天体的威胁还是很大的。如果是小行星坠入地球的话，对人类造成的影响是无法估量的。

在美国亚利桑那州弗拉格斯塔夫东部，有一个著名的陨石坑——巴林杰陨石坑。该陨石坑的直径有1000多米，大概形成于几万年前。据估计，当时陨石撞击地面的力度巨大，整个北美洲都受到了影响。

小行星的数量非常庞大，目前已知的太阳系内的小行星总数超过100万颗。由于观测技术的进步，小行星的发现量正在逐年增加。大多数小行星位于火星与木星轨道之间的小行星带。此外，在海王星以外的柯伊伯带同样散布着许多小行星。虽然这些小行星平时与地球相安无事，但是天文学家还是会对近地小行星和潜在危险小行星进行监控。

虽然在《独行月球》中，中国是执行月盾计划的主力，但是在现实中，我们在小行星防御方面的研究起步较晚。

如何进行小行星防御？第一步，发现小行星。2013年，俄罗斯车里雅宾斯克州发生的天体坠落事件引起了世界的关注。2014年，在联合国和平利用外层空间委员会的框架下成立了国际小行星预警网。2022年末，“中国复眼”项目一期正式开机，它利用分布式雷达体制开展深空探测，拍摄出国内首张月球环形山地基雷达三维图像。“中国复眼”计划可观察上亿公里外的小行星和类地行星，拓展了人类深空观察的边界，满足了我国近地小行星防御、地月态势感知等科研需求。2023年2月，“中国复眼”二期——大规模分布孔径深空探测雷达项目在重庆市云阳县开工。该项目将建设25部30米孔径雷达，计划于2025年建成，建成后将成为世界上综合性能最强的深空探测雷达。

第二步，摧毁和撞击小行星。《独行月球》中采用的是摧毁小行星的方法，但在现实中，该方法实现难度和风险都较大，因为人类并没有摧毁小行星的先例。再看撞击小行星的方法。撞击小行星是通过改变其运行轨道，达到保护地球的目的。当前，中国、美国、欧洲都在研究这个方法。

第三步，应对小行星被摧毁后的碎片威胁。小行星被摧毁后会产生许多碎片，这些碎片一旦坠入地球就会对人类的生活和地球环境造成破坏。所以，研究防御小行星碎片也是一项重要工作。不过，在如何应对小行星碎片方面，人类还处于前期的探索中。

2021年11月24日，美国航天局“双小行星重定向测试（DART）”航天器从加利福尼亚州发射升空。这是美国航天局首次开展测试小行星轨道偏移技术的任务，旨在提高防御小行星撞击地球的能力。按计划，DART与火箭分离后将独自飞行近一年时间，于2022年9月撞向一个近地“双胞胎”小行星系统中较小的一颗小行星，以改变其轨道。在这个双小行星系统中，名为“迪莫弗斯”（Dimorphos，希腊语中意为“有两种形式”）的小行星直径较小，为160米，而它所环绕的小行星“迪迪莫斯”（Didymos，希腊语中“双胞胎”之意）的直径则相对较大，为780米。2022年9月末，DART探测器成功撞向了“迪莫弗斯”，改变了它的运行轨道。

中国的小行星防御计划。2022年，中国国家航天局表示，我国将建设完善的小行星监测预警系统，同时还将着手组建近地小行星防御系统，组织编制近地小行星防御发展规划，开发近地小天体防御仿真推演软件并组织开展基本流程推演，争取在“十四五”末期或者2025年、2026年实施一次对某一颗有威胁的小行星，既进行抵近观测，又实施就近撞击，改变它的运行轨道。

在《独行月球》中，主人公独孤月生活在月球基地，这个基地非常有科技感，里面的食物也非常丰富。虽然是科幻电影，但是人类已经实现了在空间站中进餐。现在，航天员在空间站食用的食物都是通过运载火箭运输上去的，这种运输成本不但高昂，运输数量也较小。所以，我们的科研工作者正在研究如何在地外（空间站、月球基地、火星基地）种植粮食或者蔬菜。

 

二、《火星救援》——火星探索

《火星救援》的故事始于火星上的一场突如其来的风暴，六名宇航员的登陆舱遭受了巨大的损坏。在撤离的过程中，电影主角马克·沃特尼被一块飞行器上的碎片击中，被认为已经死亡，剩余的五名宇航员无法找到他的生命迹象，不得不放弃搜索，启程返回地球。然而，马克·沃特尼并没有死亡。当他醒来时，发现自己被遗弃在荒凉的火星。在火星上，马克·沃特尼面临着一系列的生存挑战。尤其是食物和水源的问题，他需要种植土豆和收集水源。《火星救援》是一部充满勇气和毅力的电影。它通过一名宇航员在荒凉的火星上生存和求生的经历，表达了对人类无尽的勇气和毅力的赞赏和敬意。

但是在现实中，人类还无法登陆火星，就连火星探测器的发射，也需要达到“窗口期”才行。因为火星和地球之间的距离并不是固定的，而是随着两颗行星绕太阳运行而变化。有时候，它们会相距很近；有时候，它们会相距很远。当然，两颗行星肯定是越近越好，因为这样可以节省探测器的燃料和飞行时间，提高成功率和效率。何时是火星探测器的最佳发射时间？这就涉及一个专业术语：发射窗口期。发射窗口期是指在一定时间内，从地球发射火箭或探测器到火星所需的能量最小的时段。通常来说，每隔26个月左右，就会出现一个发射窗口期。这是因为地球和火星绕太阳运行的周期不同，地球需要一年（365天），而火星需要1.88年（687天）。在两颗行星运行了一段时间后，它们会重新回到相对较近的位置，这时就是火星探测器最佳的发射时机。

2018年5月，搭载“洞察”号火星探测器的“宇宙神”V-401型火箭在美国发射升空。“洞察”号任务全称“通过地震调查、测地学及热传导实施内部探测”，是首个研究火星内部的探测任务。

火星探测器主要分为两类：一类是环绕型。这种火星探测器在火星轨道上环绕飞行，并拍摄火星表面的情况，以及研究火星的大气成分。另外一类是火星车，比如好奇号、机遇号、勇气号等。这种火星探测器在火星表面进行巡视，研究火星地表的情况。

通过“洞察”号收集的信息分析，火星的地壳可能由3层层状结构组成。火星上的地震能量以两种波的形式穿过地面，通过测量这些波的运动差异，研究人员可以计算出该星球的地核、地幔、地壳的起点和终点，及其大体构成。现在，科学家已经证实了火星的中心是熔融状态。

火星地震的情况与地球的地震有所不同。在地球上，板块与板块之间相互挤压碰撞，造成板块边缘及板块内部产生破裂是引起地震的主要原因。火星的地壳被认为是一个整体，因此它不会产生板块之间的运动和碰撞，不过火星壳层仍然会因为不均匀的冷却而产生断层，由此产生火星震。另外，“洞察”号检测到的火星的地震比地球的地震震级小，其中很多震级都小于4级。

2021年2月18日，“机智”号直升机随美国“毅力”号火星车一起登陆火星。同年4月19日，“机智”号完成在火星上的首飞。“机智”号的首飞在上升到3米后，盘旋了约30秒，整体飞行时间持续了39.1秒。虽然只是简单的起和落，但“机智”号首飞的意义非常重大，是人类深空探索史上的里程碑，重要性堪比一百多年前莱特兄弟“飞行者一号”的首次飞行。

再来看看我国的火星探测情况。2020年7月23日，我国在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场，用长征五号遥四运载火箭将我国首次火星探测任务“天问一号”探测器发射升空，飞行2000多秒后，成功将探测器送入预定轨道，开启火星探测之旅，迈出了我国自主开展行星探测的第一步。2021年4月24日，国家航天局正式公布了我国第一辆火星车的名字——“祝融号”。2021年5月15日，“天问一号”着陆巡视器于火星乌托邦平原南部预选着陆区成功着陆。

火星总是给人类带来无限的期待与遐想，人类也发射了许多火星探测器，但其中三分之二的火星探测任务以失败告终。这足以说明，探测火星之路险象环生。我国“天问一号”起点高、效率高、挑战大、创新强，一步就实现对火星的“绕、落、巡”探测，三步并作一步走，创造了人类深空探测的先河。

美国为了纪念莱特兄弟，在“机智”号直升机研制的过程中放了一个“彩蛋”，就是在其太阳能电池板下方绑了一块“飞行者一号”的机翼布料。我国航天科研人员在不失严谨的情况下，也展示了中国人特有的浪漫。在“祝融号”火星车的相机桅杆顶部，有一个红色方框图形，仔细看来，是一个“火”字。这个字是篆文，来自南宋官印。在我国第一台火星车上出现一个充满中国特色的“火”字，代表了中华民族长久以来对火星的憧憬，也与“祝融”这个名字完美契合。

人类火星探测的核心任务是寻找水和生命。“祝融号”在着陆区巡视探测过程中，发现了一种形貌上类似沉积岩的岩石——板状硬壳岩石。板状硬壳岩石是在地下水涌溢过程中，由毛细作用蒸发结晶出的盐类矿物，胶结了火星土壤后岩化形成。科学家推测，板状硬壳岩石富含水硅或含水硫酸盐矿物。进一步的研究支持了这种推测。通过相机影像和光谱数据分析，科学家在板状硬壳岩石中发现了含水矿物，而且，推测出了水活动的大概时间范围——距今10亿年的火星亚马逊纪晚期。这个发现说明，在10亿年前，火星可能存在生命。当然，当时火星上是否真正存在生命，还有待后续研究。

 

三、《流浪地球》——寻找人类新家园

《流浪地球》作为中国首部硬科幻特效大片，开创了中国科幻电影的新时代。该片讲述了为了躲避太阳即将发生的“氦闪”，人类将开启“流浪地球”计划，试图带着地球一起出走太阳系，寻找人类新家园的故事。

太阳是一颗恒星，它的能量来源是核聚变。太阳的核心每秒可聚变6.2亿吨氢。随着太阳中心区的氢燃烧殆尽，由于没有核反应对抗重力，恒星中心附近的物质开始向核心挤压，不断增高核心的温度。距离核心较远的一些残存的氢在核心释放的高温作用下被点燃，驱动太阳的外层不断向外膨胀，相继吞并水星与金星的轨道，并有可能吞没地球的轨道。此时的太阳已经退出了主序恒星的队伍，变成了一颗红巨星。接着，太阳除了外部的氢壳继续发生核聚变反应外，内核残存的氦在不断升高的温度下被“点燃”，在数分钟内，相当于太阳质量40%的氦被剧烈“燃烧”成碳，释放的能量大致相当于太阳在当前状态下持续数百万年所释放的能量。这种现象被科学家称为“氦闪”。“氦闪”相当于一种剧烈的恒星爆炸，产生的能量能够瞬间毁灭整个地球的生命和生态环境，这种情况下，即便有生物能够幸存也会因为无法适应环境而死亡。

虽然太阳最终会毁灭，但是我们不必担心，因为太阳的寿命有100亿年，现在太阳的年龄是45亿岁，它还剩下50多亿年的寿命。

2018年8月，以美国天体物理学家尤金·帕克命名的帕克号太阳探测器发射升空。

上世纪中叶，权威学者查普曼提出的静态太阳大气理论成为当时的主流观点。该理论认为，太阳大气一方面受到太阳超高温度下形成的向外膨胀力的作用，另一方面又受到太阳自身引力的作用，两种力实现平衡，形成了太阳大气的静止状态。但也有科学家提出了不同看法，1956年德国科学家路德维希·比尔曼通过观察彗星“尾巴”的朝向指出，彗星的一条“尾巴”之所以总是背向太阳，是由于彗星的挥发物受到了太阳上吹来的风的影响，被吹向了与太阳相反的方向，从而形成了彗尾。这一学说在当时并未受到广泛认可，美国芝加哥大学教授约翰·辛普森便认为该学说与权威理论相悖，于是他将验证这一假说的任务交给了他的学生——尤金·帕克。当时还是研究生的尤金·帕克便以查普曼的静态太阳大气理论为基础，进行数学推导。但最终得出的结果却令他大为震惊。计算结果显示，如果以静态太阳大气为条件，则在距离太阳无穷远的地方，依然存在着巨大的太阳大气压强。这个明显矛盾的结果让尤金·帕克意识到，查普曼的理论并不正确。再加之此前比尔曼提出的假说，帕克认为，太阳大气不是静止的，而是一直处于活跃状态，并持续向外抛出粒子。通过计算，尤金·帕克指出太阳大气粒子在脱离太阳引力后会不断加速，其在地球附近的速度可达到每秒数百公里，尤金·帕克将其命名为太阳风。

太阳风是一种连续存在，来自太阳并以200-800km/s的速度运动的等离子体流。太阳风的存在不仅影响着太阳系的磁场结构，而且在接近地球时会与地球的磁场相互作用，有时会引起极光和其他电现象。尽管太阳风的组成主要是基本粒子，但其流动产生的效应与气体流动相似，因此得名太阳风。

太阳风暴是指太阳在黑子活动高峰阶段产生的剧烈爆发活动。这种爆发会释放大量带电高速粒子，由此产生的粒子流能够在一天时间内到达地球。1859年9月1日发生的一场超级太阳风暴，被称为卡林顿事件，这成为人类研究太阳风暴的开端。卡林顿事件中产生的极光非常强烈，以至于包括夏威夷在内的地球低纬度地区都能看到。那时人类还没有进入现代科技社会，所以影响相对较小，但即使如此，欧洲和北美的电报系统也出现了失灵现象，一些电报员甚至遭受电击。

未来预测太阳风将成为太阳物理学的重要领域之一。预测太阳风的影响和行为能够帮助人类社会及时做出防御措施，避免可能发生的行业瘫痪和经济损失。此外，预测太阳风还对航天员的安全具有非常重要的意义。

在帕克号进入太阳大气之前，距离太阳最近的人造探测器是“太阳神2号”，其在1976年时曾抵达过距离太阳4273万千米处。而帕克号之所以能够和太阳进行前所未有的“亲密接触”，主要得益于其“夹心饼干”结构的隔热罩。该隔热罩被安装在探测器面向太阳的一侧，由厚度约为12厘米的碳复合材料制成，具体结构为两块碳纤维面板之间夹着一层厚约11.4厘米的碳复合泡沫材料。凭借着这块“夹心饼干”的保护，隔热罩面向太阳的一侧温度高达约1371摄氏度，而隔热罩的另一侧则仅为29摄氏度。按照计划，帕克号将在2024年12月，逼近至距离太阳表面约616万千米处。由于日冕的范围从太阳表面向外延伸超过1000万千米，因此帕克号也将成为首个进入日冕层进行观测的探测器。帕克号在任务周期内能够24次飞掠太阳，这样探测器就有足够的时间来收集数据。而在最后3次接近太阳的时候，帕克号的最高速度将会达到200千米/秒，成为有史以来速度最快的探测器。200千米/秒是什么概念？北京到上海之间的直线距离大概是1200多千米，如果按这个速度，帕克号探测器从北京飞到上海只需要6秒钟。

2021年10月14日，我国在太原卫星发射中心采用长征二号丁运载火箭，成功发射首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”，实现我国太阳探测零的突破，标志着我国正式步入“探日”时代。

“夸父一号”卫星全称先进天基太阳天文台（ASO-S），是一颗综合性太阳探测专用卫星，于2022年10月9日在酒泉卫星发射中心成功发射。这颗卫星的科学目标为“一磁两暴”，即同时观测太阳磁场及太阳上两类最剧烈的爆发现象——耀斑和日冕物质抛射，并研究它们的形成、演化、相互作用、关联等，同时为空间天气预报提供支持。

“羲和号”与“夸父一号”名字的由来。羲和是我国古代神话中的太阳女神。“羲和号”的命名取义“效法羲和驭天马，志在长空牧群星”，象征着中国对太阳探索的缘起与拓展。“夸父一号”的名字来源于我国古代神话传说中夸父逐日的故事。这个命名不仅代表了中国人对太阳不懈追求的精神，也寓意着该卫星将成为中国综合性太阳观测新时代的开创者。“夸父”一词在中国文化中象征着勇敢、坚毅和不屈不挠的精神，这与空间科学卫星的探索和研究使命相契合。

从“羲和号”和“夸父一号”可以看出中国人有自己的太空浪漫。我再举几个例子。“天问一号”的名字来源于中国古代伟大的诗人屈原的长诗《天问》。《天问》中包含了对天地、自然和人世等事物的想象与发问，涵盖了宇宙起源、天地构造以及星辰往昔等多个方面。因此，“天问一号”既代表了对中国古代哲学思想的致敬，也象征着对科学真理的不断探索和追求。“祝融号”的命名来源于我国古代神话中的火神。“北斗卫星导航系统”的名字源自中国古代对北斗星的崇拜和对导航功能的认识。“神舟飞船”的名字寓意“神奇的天河之舟”，“神舟”既是“神州”的谐音，又含有神气和神采飞扬之意。

2016年，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。这使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。“墨子号”的名字来源于我国古代先贤墨子。墨子是墨家学派创始人，《墨经》里记载了世界上第一个“小孔成像”实验，该实验解释了小孔成倒像的原因，这是现代照相技术原理的起源。

另外，“天宫一号”空间实验室、“悟空号”暗物质粒子探测卫星、“玉兔号”月球车的命名，都体现了中国人对太空探索的美好想象。

回到《流浪地球》这部电影。在电影中，人类在地球上建造了上万座重核聚变行星发动机，每个发动机可产生上百万亿吨的推力，把地球当成一个庞大的宇宙飞船，驶离现有轨道，驶向距离太阳系最近的一颗恒星——比邻星，从而开启了一段长达2500年的星际旅行。那么，在电影中，人类为什么要选择比邻星作为最终目的地？因为比邻星是除太阳之外距离地球最近的一颗恒星，距离我们4.2光年。但是，从实际情况来看，比邻星并不是一个宜居的目的地。但是，我们可以畅想，随着人类科技的高速发展，我们肯定会找到宜居的星球。

人类是不是宇宙中唯一的智慧生命？究竟有没有外星人？怎么找到外星人？2018年4月19日，美国太空探索技术公司的“猎鹰9”火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角发射升空，将探测器“凌日系外行星勘测卫星”（简称“苔丝”）送入太空。“苔丝”的主要使命是在两年内“扫描”超过20万颗太阳系外离地球“最近、最亮”的恒星，确认是否有行星围绕它们公转。“苔丝”采用“凌日法”，原理为行星从恒星前方经过时，可观察到恒星微弱“变暗”，天文学家认为这是系外行星存在的间接证据。

2021年12月25日，美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜发射升空。这是人类历史上最强太空望远镜，历时25年、耗资100亿美金建造。这台太空望远镜的升空，正式开启探索宇宙起源奥秘和寻找系外行星的使命。

在太空望远镜的研制方面，我国也会在不久的将来发射太空望远镜对系外行星进行探测。必须指出的是，外星文明的出现概率及诞生时间是不可预测的，因此理论预估的结果存在很大的不确定性。然而，随着天文观测技术的快速发展，对这类研究进行定量计算已经成为可能。通过这些定量计算，我们才能有效地判断某些可疑信号是否确实由地外文明发出。

凝视星空让人们彼此更亲近，因为它提醒我们，我们本质上是一颗小小星球上的旅伴。人类通过科幻作品表达了对宇宙的向往，而这种向往又为人类探索宇宙提供了不竭的动力。在对宇宙的探索中，让我们怀着更大的勇气和信心，走向星河的更深处；让我们带着更多的智慧和善良，去寻找属于人类的未来。

责任编辑：李天翼

文章来源：http://www.71.cn/2024/0131/1220785.shtml