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当发现米勒星球不适宜人类居住后,库珀和他的船员们转向了曼恩星球。

曼恩星球,一个缺少太阳的世界

我从电影《星际穿越》的两个方面推断出了曼恩星球的轨道。

首先,道尔说过到曼恩星球的行程需要几个月时间。由此,我推测当“永恒”号到达曼恩星球时,离奇点,也就是黑洞卡冈都亚已经很远了。然后,当“永恒”号在曼恩星球轨道上的爆炸发生后,船员们很快就发现他们在被吸向黑洞的视界。由此我推测:当他们离开曼恩星球时,后者离卡冈都亚一定很近。

为了能同时满足这两点,曼恩星球的轨道肯定被拉得很长。此外,为了避免行星在接近黑洞卡冈都亚时被黑洞的吸积盘吞没,所以它可能的轨道必须远高于或远低于黑洞的赤道面,即吸积盘所在的平面(见图18-1)。

这表明轨道可能是像图18-1所画的那样。尽管行星的轨道可能一直延伸到了离卡冈都亚很远的地方——大约600倍的黑洞视界半径或更远[1],但像我们太阳系里哈雷彗星的轨道一样(见图6-5),行星掠过黑洞附近然后又飞离很远的距离,再返回黑洞附近,之后再飞走。行星在每次或每两次掠过黑洞附近时,黑洞附近的空间回旋会使行星轨道发生进动,从而让这一次和下一次飞出轨道相比有很大的角度差,就像图里显示的那样。

无论在它飞回或飞离的轨迹上,曼恩星球不可能有恒星相伴,因为在黑洞附近,巨大的潮汐力将会使行星和恒星分开,把它们转向完全不同的轨道上去。因此,像米勒星球一样,曼恩星球一定是由黑洞暗淡的吸积盘来照亮和加热的。

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图18-1 曼恩星球可能的轨道。计算基于大卫·萨洛夫(David Saroff)制作的一款界面非常友好的网页应用程序。想要一探究竟,请扫以下二维码

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通向曼恩星球的旅程

“永恒”号飞往曼恩星球的旅程,开始于卡冈都亚附近,结束于离黑洞很远的地方。在我对电影的科学解释中,这个行程需要两次引力弹弓效应发挥作用(见第6章)——开始一次,结束一次。

开始时,挑战分两重:在卡冈都亚附近的停泊轨道上,“永恒”号是以1/3的光速(c/3)沿着黑洞的圆周轨道运动,但这却是个错误的方向,因为它必须偏转成远离黑洞的径向运动。“永恒”号的速度不够快,而卡冈都亚的吸引力太过强大。即使“永恒”号转为径向运动并保持着1/3的光速,但是黑洞的强大引力仍会让飞船飞出仅踞曼恩星球距离很小的一段就停下。为了抵消黑洞的引力,并达到和曼恩星球一样的运动速度——大约c/20,那么第一次弹弓过程需要使“永恒”号加速到接近光速的一半。为此,库珀必须找到一个中等质量黑洞,并且有合适的位置和合适的速度。

找到一个合适的中等质量黑洞并不容易,就算找到,从正确的位置和时刻进入它的轨道也不容易。在数个月的旅程里,库珀等人的大部分时间都花在了接近中等质量黑洞的轨道上,等待黑洞的出现或许就需要很长时间。一旦这个弹弓过程完成,去往曼恩星球的航程将从一开始的c/2逐渐减慢到c/20,这个过程又需要大约40天。

在第二次弹弓过程发生时,“永恒”号已经接近曼恩星球,它掠过了一个合适的中等质量黑洞,然后飞向行星,期待一次“温柔”的汇合:一次不需要消耗很多火箭燃料的汇合。

冰云,到达曼恩星球

在电影《星际穿越》中,“永恒”号停泊在曼恩星球的轨道上,然后库珀和他的队员驾驶“巡逻者”号降落到行星上。正如大家预计的那样,行星被冰层覆盖,因为在大部分时间里,行星都远离黑洞吸积盘的“温暖”。当“巡逻者”号接近曼恩星球时,我们看到它穿梭于云层之间,但之后蹭到了其中一片(见图18-2),这时我们才发现云实际上也是由某种冰组成的。

从和保罗·富兰克林的谈话中,我得到启发,想象这些云其实是大块的固体二氧化碳——干冰。然后,当行星飞向吸积盘时,开始被加热,如图18-1那样。当温度升高后,干冰开始升华、蒸发,所以这些云可能是干冰和蒸汽的混合物,也许大部分都是蒸汽。在低海拔处,“巡逻者”号着陆的地方,温度会高一些,所以他们着陆的地方都是冰冻的水。

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电影《星际穿越》剧照,由华纳兄弟娱乐公司授权使用

 

图18-2 在曼恩星球上空,“巡逻者”号飞船擦着一片“冰云”的边缘

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电影《星际穿越》剧照,由华纳兄弟娱乐公司授权使用

 

图18-3 上:罗米利(由大卫·吉雅西[David Gyasi]扮演)、布兰德(由安妮·海瑟薇扮演)在和曼恩博士探讨地质数据的结果。下:这一页数据由艾丽卡·斯旺森为电影准备,号称是曼恩博士对从曼恩星球表面搜集的岩石进行的化学分析的结果。多快岩石表明有机体可以在此星球上生长

是谁打造了曼恩博士的地质数据

在电影中,曼恩博士一直在他所处的行星上寻找有机样本,而且他还声称找到了可能的证据——可能,但不确定。他把自己的数据结果给了布兰德和罗米利。

数据包括曼恩博士搜集的岩石样本位置信息和地质环境的现场记录信息,还有相应的岩石样本化学分析结果。这些化学分析就是曼恩博士阐述该星球上有机体存在的证据。

图18-3展示了一页数据结果。这些数据实际上是加州理工学院一位很有天赋的地质学博士艾丽卡·斯旺森(Erika Swanson)为影片准备的。艾丽卡也做过现场勘探和化学分析的工作,与曼恩博士很像。

电影中后来的结果是:曼恩博士伪造了数据。当然,这有一些讽刺意味,因为这些数据本身就是艾丽卡为电影编造的。显然,她从未实地勘探过曼恩星球。不过,也许会有这一天……

在这本书里,我没有讲关于曼恩博士的悲剧。它是一个人类的悲剧,没有科学的成分。悲剧的高潮是让飞船严重损坏的爆炸。这次爆炸、损坏和还有“永恒”号的设计都涉及科学和工程学的知识,所以让我们来说说它们。


[1] 在影片《星际穿越》 中,当“永恒”号在曼恩星球的轨道上运动时,我们看到卡冈都亚覆盖了0.9 度的天空——几乎是从地球看月亮的两倍。由此,我计算出曼恩星球是在大约600 倍的黑洞半径处。在这个距离上,行星飞到卡冈都亚附近至少需 要40 天——比船员们待在曼恩星球附近的时间长多了, 但是向外飞向行星的那段行程是合理的,见第6 章。