王科超

15-16世紀(jì)之交，新航路的開(kāi)辟和“新大陸”的地理發(fā)現(xiàn)是影響人類(lèi)歷史發(fā)展進(jìn)程的重大事件。如今，當(dāng)人們用新的目光瞄向古老的星空時(shí)，尋找適合人類(lèi)生存的第二家園就成了全人類(lèi)的期待。

在太陽(yáng)系的8顆行星中，土星、木星、天王星和海王星是氣態(tài)行星，且距離地球比較遠(yuǎn);水星、金星和火星是固態(tài)行星，屬于類(lèi)地行星，距離地球比較近。從人類(lèi)自身的需求考慮，固體行星更利于人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用，因此也更受科學(xué)家們的青睞。

在所有的太陽(yáng)系天體中，乍看起來(lái)，火星很像地球。它是緊靠地球外側(cè)運(yùn)行的行星。火星與太陽(yáng)之間的平均距離為1. 52A1f（天文單位），公轉(zhuǎn)周期為687地球日（1. 88地球年），自轉(zhuǎn)周期為24小時(shí)37分22.6秒，平均火星日為24小時(shí)39分35.244秒?；鹦桥c地球相近，也是歪著身子繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)軸傾角為25. 19度，因此也有四季，只是季節(jié)長(zhǎng)度約是地球的2倍?；鹦潜砻嬉部蓜澐殖鰺釒?、南北溫帶、南北寒帶5個(gè)氣候帶。火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也和地球一樣，從內(nèi)而外是火星的地核、地幔和地殼，并且表面也擁有一層大氣層?；鹦巧线€有平原、火山、峽谷、高原等各種地貌，甚至還有大量的河床、海床和沉積物等地貌，表明這顆紅色星球曾經(jīng)有大量的液態(tài)水存在……所有這一切都在暗示它與地球可能像兄弟一般相似。難怪人們把火星比作是“天空中的小地球”，在火星這個(gè)奇妙的舞臺(tái)上，寄托著我們的希望和幻想！

火星檔案

不過(guò)真正的火星是一個(gè)殘酷的世界，它的真實(shí)面目遠(yuǎn)比我們一廂情愿的認(rèn)識(shí)要復(fù)雜得多。

火星到太陽(yáng)的距離大約是地球到太陽(yáng)距離的1.5倍，所以火星接收到太陽(yáng)的光和熱只有地球的43%，火星上的平均溫度大約為55℃，但四季溫差巨大，從冬天的133℃到夏日白天的將近27℃?；鹦堑某嗟腊霃綖?395千米，約是地球的一半。而其體積還不到地球的1/6，質(zhì)量?jī)H是地球的1/10，重力加速度是地球的1/3多一點(diǎn)，這意味著在火星上被我們大力踢出的足球，足足可以飛到800米開(kāi)外?；鹦潜砻娴钠骄髿鈮簭?qiáng)大約為7毫巴，還不到地球（760毫巴）的1%，相當(dāng)于地球海拔32千米處的大氣壓，人體在沒(méi)有防護(hù)的情況下置身其中，人會(huì)因血液迅速汽化而死亡?；鹦堑拇髿獬煞峙c地球大為不同，稀薄的大氣主要是由遺留下來(lái)的二氧化碳（95.3%）加上氮?dú)猓?.7%）、氬氣（1.6%）和微量的氧氣（0.15%）以及水汽（0.03%）組成。稀薄而干燥的大氣層無(wú)法阻擋太陽(yáng)紫外線的輻射，更無(wú)法有效防御頻繁的小行星撞擊。

盡管火星的大氣很稀薄，但是火星表面的風(fēng)速卻不含糊，可高達(dá)180米/秒多，每年都要刮起含有大量塵粒的風(fēng)暴，像巨大的黃龍一般橫掃大地，將火星攪得天昏地暗。大風(fēng)暴有時(shí)會(huì)席卷整個(gè)星球，火星上空70～80千米都被塵埃所籠罩。干燥異常的大氣加上沙塵暴，使得火星表面大部分成為遍布巖石和砂礫的荒蕪之地?；鹦堑耐寥乐泻写罅康难趸F，由于長(zhǎng)期受紫外線的照射，就生成了一層紅色和黃色的氧化物。大氣中的微塵也使天空呈現(xiàn)為橙紅色，整個(gè)火星看上去就像是一個(gè)生了銹的世界，分外荒涼。

火星荒蕪的真相

目前，所有的科學(xué)研究均清晰地表明，火星是一顆“死”行星，火星上沒(méi)有生命，也不適合人類(lèi)直接在上面居住。但是另一方面，在火星上搜集到的大量證據(jù)表明，在遠(yuǎn)古的火星上，海洋、河流、足夠的大氣、雷暴等等都是常見(jiàn)的，與今天的地球有著極高的相似度，火星過(guò)去很可能擁有生命。那么，是什么原因造就了今天地球是太陽(yáng)系中唯一擁有生命的行星，而火星卻是一顆生命荒蕪的“死”行星呢？

太陽(yáng)系內(nèi)部五顆行星軌道，火星和木星間明顯有個(gè)空隙。

火星的荒蕪受多種因素影響，但最重要的一點(diǎn)是個(gè)頭，這早在出生時(shí)刻就已經(jīng)注定了。現(xiàn)代理論認(rèn)為，太陽(yáng)系是從氣體和塵埃組成的原太陽(yáng)星云收縮演化而來(lái)的。在太陽(yáng)系演化早期，太陽(yáng)星云的核心形成了太陽(yáng)，周?chē)奈镔|(zhì)逐漸落入環(huán)繞太陽(yáng)的原行星盤(pán)中，原行星盤(pán)內(nèi)物質(zhì)吸聚成為小星子，小星子相互碰撞結(jié)合又組成了行星胚胎，行星胚胎繼續(xù)吸積軌道周?chē)奈镔|(zhì)，最終生長(zhǎng)成為行星。理論上，在木星軌道內(nèi)越遠(yuǎn)離太陽(yáng)，行星軌道周長(zhǎng)越大，能夠吸積的物質(zhì)越多，最終形成的行星質(zhì)量就越大。在4顆類(lèi)地行星當(dāng)中，居內(nèi)側(cè)運(yùn)行的3顆行星——水星、金星和地球均符合這一規(guī)律。但是火星的質(zhì)量卻大幅減小，只有地球的1/10。造成這一結(jié)果的“罪魁禍?zhǔn)住本褪墙裉煨行侵械木逕o(wú)霸——木星。在太陽(yáng)系演化早期，由于木星快速演化，周?chē)镔|(zhì)被大量吞噬，木星引力影響的范圍越來(lái)越廣，導(dǎo)致了火星軌道處的物質(zhì)越發(fā)貧瘠，火星的個(gè)頭也因“營(yíng)養(yǎng)不良”長(zhǎng)不大。其實(shí)最悲催的還不是火星：找到一張?zhí)?yáng)系等比例的地圖，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這火星和木星軌道間的縫隙怎么看都有點(diǎn)大。如果加上主帶小行星的軌道，圖片立刻顯得和諧很多。其實(shí)小行星帶那里原本應(yīng)該存在一顆大行星，但是那里的大部分物質(zhì)都被木星所吸積了，所剩的“殘羹冷炙”太少，使得行星胚胎無(wú)法繼續(xù)生長(zhǎng)而保持了小行星的狀態(tài)，那顆“胎死腹中”的行星才是最大的受害者?？磥?lái)弱肉強(qiáng)食的規(guī)則在行星之間也是成立的。

系外行星

火星的化學(xué)組成與地球類(lèi)似，并且有著與地球相似的形成和早期演化過(guò)程，甚至也有過(guò)濕潤(rùn)而適合生命演化的環(huán)境。但它的個(gè)頭天生比地球小，注定了它后期的悲涼命運(yùn)。個(gè)頭小這就意味著火星的引力更弱，因此火星大氣中的氣體分子，包括水分子，都從輕而易舉地從火星表面逃逸。同時(shí)，較小的引力也意味著火星上的山可以更高，谷可以更深而不會(huì)受自身重量崩塌?；鹦潜旧磔^小的尺寸也使得核心放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量更容易散失，內(nèi)部早早地冷卻，從而使得火星上的火山活動(dòng)停止，全球磁場(chǎng)也跟著消失?；鹦侨鄙倭嘶鹕交顒?dòng)，大氣層得不到行星內(nèi)部氣體的補(bǔ)充，而磁場(chǎng)的消失，使得太陽(yáng)風(fēng)粒子可以從行星表面直接吹過(guò)，加速大氣的逃離，表面的海洋也跟著蒸發(fā)了，因而使它成為一個(gè)干燥而荒蕪的星球。

當(dāng)然，人類(lèi)在火星探索中也獲得了令人欣喜的消息：火星表層和深處可能存在大量穩(wěn)定的液態(tài)水。水，尤其是液態(tài)水被認(rèn)為是生命存在的必要條件，更是人類(lèi)未來(lái)想要在火星上長(zhǎng)期生存所需要開(kāi)發(fā)利用的重要資源?；鹦堑膬蓸O存在巨大的白色極冠，極冠主要由大約2000米厚的水冰層和數(shù)米厚的干冰層組成。若把極冠中的冰全部融化成水，可在火星表面形成10米深的大海。由于火星氣候寒冷，兩極極冠都是永久的，但是會(huì)隨著季節(jié)的變化消長(zhǎng)，火星地表以下以及南極高原冰蓋深處還存在湖泊。此外，表層也發(fā)現(xiàn)了液態(tài)水存在的證據(jù)。

盡管火星不適合人類(lèi)直接居住，但是放眼整個(gè)太陽(yáng)系，在火星上“就地取材、因地制宜”建造航天基地卻有著眾多的便利，火星仍然是人類(lèi)征服太空的理想跳板。

人類(lèi)的下一個(gè)棲息地

讓我們把目光投向更遠(yuǎn)處的星空，銀河系中存在上千億顆恒星，宇宙中又有數(shù)百億個(gè)星系，太陽(yáng)系之外的恒星周?chē)欠駮?huì)有類(lèi)似地球環(huán)境的行星存在？那里能否成為人類(lèi)生存的第二個(gè)家園？

這個(gè)問(wèn)題并不是從現(xiàn)代才開(kāi)始思考的。早在公元前4世紀(jì)，亞里士多德就曾提出過(guò)一個(gè)哲學(xué)命題——“我們?cè)谟钪嬷惺欠窆陋?dú)？”。問(wèn)題的答案，隨著人類(lèi)文明和科學(xué)的發(fā)展逐漸清晰起來(lái)。自1995年第一顆圍繞主序星的系外行星被天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，到今天，人們已經(jīng)有多種探測(cè)手段來(lái)發(fā)現(xiàn)系外行星。目前，天文學(xué)家在銀河系中發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)的系外行星已超過(guò)4000多顆，特別是開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了超過(guò)2300多顆行星。這些行星大小不一、形態(tài)各異，包括熱木星、亞海王星、類(lèi)地行星、超級(jí)地球等類(lèi)型。在這些行星當(dāng)中，那些位于類(lèi)太陽(yáng)型恒星的宜居帶、與地球類(lèi)似的所謂宜居行星是人類(lèi)追尋系外行星探測(cè)的終極目標(biāo)。這類(lèi)行星直徑大約在地球的0. 5～1.5倍之間，可以擁有巖質(zhì)的表面和大氣。軌道在寄主恒星的“宜居帶”內(nèi)，即根據(jù)中央恒星的類(lèi)型和輻射強(qiáng)度，與中央恒星相隔一段合適的距離，使得此處的行星表面平均溫度能夠使液態(tài)水穩(wěn)定存在。此外，我們也希望它能同時(shí)擁有與地球一樣的磁場(chǎng)和大氣，可以保護(hù)生命免受星際輻射和其他小天體撞擊的危害。盡管目前天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)數(shù)十顆宜居行星，但是它們的宜居條件與地球相比還是相距甚遠(yuǎn)。

類(lèi)地行星

近幾年，我們經(jīng)常從媒體上聽(tīng)到“地球2.O”的天文發(fā)現(xiàn)，但是要發(fā)現(xiàn)真正的“地球2.O”，依然是長(zhǎng)路漫漫。比如迄今發(fā)現(xiàn)“最接近地球”的系外宜居行星開(kāi)普勒452b，雖然它與恒星之間的距離接近日地距離，不過(guò)它的直徑是地球的1.6倍，質(zhì)量是地球的5倍，與地球的差異依然巨大。

此外，我們對(duì)系外行星的搜尋仍然受關(guān)鍵技術(shù)的限制：首先，我們很難獲取較小的系外行星的光譜，因此對(duì)行星本身的了解就非常受限，這一狀況甚至在未來(lái)幾十年中都很難改變;其次，現(xiàn)有的方法尚不能有效地探測(cè)出距離最近的恒星周?chē)臐撛谝司有行?。即使有一天，我們真的找到了和地球一樣宜居的行星，遙遠(yuǎn)的星際距離和沒(méi)有堪當(dāng)大任的宇航技術(shù)恐怕也會(huì)成為抵達(dá)這個(gè)宜居行星難以逾越的鴻溝。

正如2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、致力于系外行星探測(cè)的天文學(xué)家迪迪埃·奎洛茲和米歇爾·麥耶指出的那樣：“所謂星際移民是既不負(fù)責(zé)任又徒勞的想法。好好保護(hù)我們唯一賴(lài)以生存的家園——地球才是王道。”