第3章:捕获3
凌城,上午十点。
天文台的大会议室里坐满了人。除了台内的研究人员,还有来自华夏天文学院、航天局的各天文学家和物理学家。屏幕上,通过视频连接着其他国家的同行。
这是一场紧急召集的国际学术会议,主题只有一个:评估边瞬星对太阳系的影响。
褚飞骍站在讲台上,面对着几百双眼睛,感到前所未有的压力。一周前,他第一个发现了这颗行星。现在,全世界都在等待他和同事们给出答案——这颗行星的到来,会对太阳系、对地球、对人类产生什么影响?
“各位同行,”他清了清嗓子,开始发言,“感谢大家在这么短的时间内聚集在这里。今天,我们要讨论的是一个前所未有的天文现象——一颗流浪行星被太阳系捕获。”
他点击遥控器,屏幕上出现了边瞬星的轨道图。一条红色的椭圆轨道,倾斜着穿过太阳系,与其他行星的轨道形成鲜明对比。
“这是边瞬星目前的轨道。正如大家看到的,它的轨道倾角达到45度,远大于太阳系其他任何行星。它的轨道周期约17.4年,近日点距离10.1天文单位,远日点距离29.9天文单位。”
他换了一张幻灯片,上面是行星的基本参数。
“根据我们过去一周的观测,我们已经确定了这颗行星的基本特征。直径17800公里,质量为地球的2.3倍,密度约5.8克每立方厘米。它有一个较厚的大气层,主要成分是氮气和甲烷,表面温度目前约零下50摄氏度。”
他停顿了一下,环视全场。
“现在的关键问题是:这颗行星会对太阳系产生什么影响?”
会议室里鸦雀无声,所有人都在等待答案。
“为了回答这个问题,我们进行了大量的模拟计算。”褚飞骍说,“让我先介绍一下我们的研究方法。”
他又换了一张幻灯片,上面是复杂的数学公式和图表。
“我们使用了N体模拟方法,将太阳系中所有主要天体——太阳、八大行星、主要的矮行星和小行星——的引力相互作用全部考虑进去。然后,我们加入边瞬星,计算它的引力会如何影响其他天体的轨道。”
“模拟的时间跨度是一千年。我们想知道,在未来一千年内,边瞬星会不会显著改变其他行星的轨道,特别是地球的轨道。”
他点击遥控器,屏幕上开始播放一段动画。那是太阳系的俯视图,各大行星沿着自己的轨道运行,而边瞬星以一个倾斜的轨道在其中穿行。
“这是我们的模拟结果。大家可以看到,边瞬星的轨道与其他行星的轨道几乎没有交集。它的近日点在土星和天王星之间,远日点接近海王星。在它运行的过程中,最接近的主要行星是天王星。”
动画继续播放,显示边瞬星在某个时刻经过天王星附近。
“在第12年,边瞬星会与天王星接近到约5天文单位的距离。这是一次相对近的相遇。我们计算了这次相遇对天王星轨道的影响。”
他切换到数据表。
“结果显示,天王星的轨道半长轴会产生约0.0001%的变化,轨道倾角变化约0.001度,轨道周期变化约10分钟。这些都是极其微小的变化,在天文学上几乎可以忽略不计。”
“对于地球呢?”有人问。
“地球受到的影响更小。”褚飞骍说,“由于边瞬星距离地球最近时也有约10天文单位,它的引力对地球几乎没有可察觉的影响。我们的计算显示,地球轨道的变化小于10^-8,也就是说,地球轨道半径的变化小于1公里。”
会议室里响起一阵轻微的议论声。
“这意味着什么?”褚飞骍提高声音,“这意味着,边瞬星虽然质量很大,但由于距离太远,它对地球的引力影响可以完全忽略。它不会改变地球的轨道,不会影响地球的气候,不会引发海啸或地震,不会对人类文明造成任何直接威胁。”
这个结论让很多人松了一口气。但也有人提出了新的问题。
“那对小行星带呢?”一位欧洲的天文学家通过视频问道。他是F国天文台的主任,皮埃尔,六十多岁,留着花白的胡子,“边瞬星的轨道虽然不直接穿过小行星带,但它在较高的轨道倾角上运行。我担心它的引力会不会扰动小行星带的结构,把一些小行星推向地球?这种事情在历史上发生过。”
这个问题引起了很多人的关注。会议室里的气氛顿时紧张起来。
“这是一个非常重要的问题。”褚飞骍说,“我们也考虑了这个可能性,而且做了非常详细的研究。让我的同事赵明来回答这个问题。”
赵明是国家天文台的小行星专家,四十多岁,戴着眼镜,看起来很严谨。他在这个领域工作了二十年,对小行星带的结构和动力学有深入的了解。他走上讲台,接过话筒,先喝了一口水,然后开始发言。
“谢谢皮埃尔教授提出这个问题。关于小行星的问题,我们做了非常专门和深入的研究。”他说,调出一张新的幻灯片。
“首先,让我们回顾一下小行星带的基本结构。”幻灯片上显示出一张小行星带的示意图。
“小行星带主要位于火星和木星之间,距离太阳约2.0到3.5天文单位。这个区域包含了大约100万颗直径超过1公里的小行星,以及数百万颗更小的天体。最大的小行星是谷神星,直径约950公里,质量约地球的0.015%。”
他换了一张幻灯片,上面是小行星轨道的分布图。
“小行星带不是均匀分布的。它有很多空隙,被称为柯克伍德空隙。这些空隙是由于木星引力共振造成的。比如说,在2.5天文单位处,有一个明显的空隙,因为那里的小行星公转周期恰好是木星的三分之一,会受到木星引力的周期性扰动,最终被清除出去。”
“现在,让我们看看边瞬星会如何影响小行星带。”
他调出一个三维动画,显示了太阳系的侧视图。八大行星沿着黄道面排列,而边瞬星以一个倾斜的轨道穿行。
“大家可以看到,边瞬星的轨道倾角是45度。这意味着什么?”他停顿了一下,“这意味着,边瞬星的轨道与黄道面有很大的角度。它大部分时间都在黄道面的上方或下方,而小行星带基本上都在黄道面附近,倾角通常小于20度。”
“所以,从几何上讲,边瞬星不会直接穿过小行星带。它的近日点距离是10.1天文单位,远超过小行星带的外缘3.5天文单位。它距离小行星带最近的时候,垂直距离也有好几个天文单位。”
他切换到一张数据表。
“但是,正如杜波依斯教授指出的,引力的作用是长程的。即使相距很远,边瞬星的引力仍然会对小行星产生一定影响。我们计算了这种影响的大小。”
屏幕上出现了一张复杂的相图,显示了几千颗小行星的轨道变化。不同颜色的点代表不同的小行星,它们在一个二维平面上分布,横轴是半长轴,纵轴是离心率。
“这是我们对主要小行星的模拟结果。我们选择了1000颗最大的小行星,模拟了它们在边瞬星引力作用下的轨道演化,时间跨度是1000年。”
他用激光笔指着图表。
“大家可以看到,这些点基本上都没有移动。也就是说,小行星的轨道参数基本保持不变。如果放大来看,”他切换到一个放大的视图,“会发现有一些微小的漂移,但这种漂移的幅度非常小。”
“具体来说,”他调出数据表,“小行星轨道半长轴的变化平均约为0.001%,离心率的变化平均约为0.0001,轨道倾角的变化平均约为0.001度。这些变化都在测量误差范围内,实际上可以忽略不计。”
“更重要的是,”他强调,“这种扰动不会把小行星推向地球。”
“为什么?”皮埃尔追问。
“因为引力的方向和距离,”赵明耐心地解释道,画了一个示意图。
“边瞬星位于小行星带的外侧和上方。根据引力定律,它的引力方向是指向它自己的。对于小行星带中的小行星来说,边瞬星的引力主要是两个分量:一个是径向的,向外拉;一个是垂直的,向上拉。”
“径向分量会略微增加小行星的轨道半径,但这个效应很小。垂直分量会增加小行星的轨道倾角,使它们的轨道稍微倾斜一点,但也不会显著改变轨道的形状。”
“关键是,边瞬星的引力不会减小小行星的轨道半径,不会把它们推向内太阳系,更不会推向地球。如果有任何影响,也是把小行星略微向外拉,而不是向内推。”
“而且,”他补充道,“我们还需要考虑木星的作用。木星的质量是边瞬星的140倍,约为地球的318倍。木星距离小行星带的平均距离约为2.5天文单位,远小于边瞬星到小行星带的距离。”
“根据引力定律,引力的大小与质量成正比,与距离的平方成反比。所以,木星对小行星带的引力作用要比边瞬星强得多,大约是边瞬星的几千倍。”
“如果说有什么天体在控制小行星带的结构和动力学,那一定是木星,而不是边瞬星。木星的引力一直在塑造小行星带,清除了某些共振轨道,保护了内太阳系免受小行星撞击。边瞬星的影响相比之下微不足道。”
赵明的解释非常清楚和有说服力。皮埃尔点了点头,表示满意。“非常好的分析。”
赵明又说:“当然,我们必须考虑所有可能的风险。这就是为什么我们做了如此详细的计算。”
这个回答让大家更加放心了。但很快,又有新的问题提出来。
接下来,会议进入了自由讨论环节。各国的天文学家纷纷提出自己的看法和问题。
M国的汤姆通过视频发言:“我们的团队也进行了类似的模拟,结果和褚研究员团队基本一致。我们认为,边瞬星在短期内不会对太阳系造成显著影响。但是,我想提出一个长期的问题。”
“请说。”褚飞骍说。
“在更长的时间尺度上,比如说一万年后,边瞬星的轨道会如何演化?它会不会在某个时刻与其他行星发生近距离相遇,甚至碰撞?”
这个问题让会议室陷入了沉思。
“这是一个很好的问题,”褚飞骍说,“但也是一个很难回答的问题。”
他换了一张幻灯片,上面是一些复杂的图表和曲线。
“太阳系是一个混沌系统。所谓混沌,不是说无序,而是说系统对初始条件极其敏感。即使是极其微小的误差,经过长时间的演化,也会被指数级放大。”
“举个例子,”他说,“我们现在知道边瞬星的位置精度约1000公里,速度精度约0.1米每秒。这在天文学上已经是很高的精度了。但即使是这样,当我们用这些数据来预测一百万年后的轨道时,误差可能会达到几十个天文单位。”
“换句话说,”他总结道,“我们可以相当准确地预测'边瞬'星在未来几百年内的轨道,但对于更长时间——比如一万年、十万年——我们只能给出一个概率分布,而不是确定的轨道。”
“那这个概率分布是什么?”汤姆问,“边瞬星与其他行星碰撞的概率有多大?”
“根据我们的初步计算,”褚飞骍说,“在未来一百万年内,边瞬星与主要行星发生碰撞的概率小于1%。更可能的情况是,它会一直维持在当前的轨道上,或者轨道参数发生缓慢的变化。”
“但也有可能,”他补充道,“经过多次与其他行星的引力相互作用,边瞬星的轨道会发生较大变化。它可能被推向更远的轨道,也可能被推向更近的轨道,甚至可能被彻底抛出太阳系。”
“所以我们需要持续监测,长期跟踪边瞬星的轨道变化,及时发现任何异常。”大卫说。
“完全正确,”褚飞骍点头,“这也是我们接下来要做的工作之一。”
会议继续进行,讨论转向了其他话题。
R国的伊万提出了一个新的问题:“我想问,边瞬星是如何被太阳系捕获的?这种捕获的概率有多小?”
这个问题引起了大家的兴趣。
褚飞骍思考了一下,说:“这确实是一个很有意思的问题。让我们来分析一下。”
他走到白板前,拿起笔开始书写。
“首先,我们要理解什么是引力捕获。一个天体从无穷远处飞来,如果它的速度太快,太阳的引力不足以改变它的轨道,它就会以双曲线轨道掠过太阳系,然后继续飞向无穷远处。”
“但是,如果这个天体在经过太阳系时,恰好与某个行星发生近距离相遇,行星的引力可能会改变它的速度,使它减速。如果减速足够多,它的轨道就会从双曲线变成椭圆,从逃逸轨道变成捕获轨道。”
“这就是所谓的引力助推,或者说引力弹弓效应的反向应用。”
他在白板上画了一个简图,显示一个天体如何通过与行星的相互作用而被捕获。
“在边瞬星的案例中,我们的计算显示,它在经过海王星附近时,海王星的引力对它产生了作用,使它的速度降低了大约0.5%。就是这0.5%的速度变化,让它从逃逸轨道变成了捕获轨道。”
“这种事件的概率有多小?”伊万追问。
“非常非常小,”褚飞骍说,“要发生这种捕获,需要满足很多条件:天体必须以正确的速度、正确的角度、正确的时间经过行星附近。任何一个参数稍有偏差,捕获就不会发生。”
“根据理论计算,”他继续说,“太阳系捕获一颗行星级天体的平均间隔时间约为几千万年到几亿年。也就是说,自从太阳系形成以来的46亿年里,可能只发生过几十次到几百次这样的事件。”
“而且,”他补充道,“被捕获的天体大多不稳定,可能在几百万年内就被重新抛出太阳系。像边瞬星这样,能够稳定存在的,更加罕见。”
“所以我们真的很幸运,”欧洲的马可说,“能够在人类有观测能力的这短短一百多年里,目睹这一事件。”
“是的,”褚飞骍说,“这是天文学史上的一个奇迹。”
会议室里响起一阵赞同的低语。
接下来,讨论转向了边瞬星本身的特性。
华夏科学院的一位研究员问:”关于边瞬星的内部结构,我们有什么了解?它是岩石行星还是气体行星?”
“这是一个好问题,”褚飞骍说,“让我们来分析一下现有的数据。”
他调出一张表格,上面列出了边瞬星和其他行星的参数对比。
“边瞬星的密度约5.8克每立方厘米,这介于地球(5.5克每立方厘米)和海王星(1.6克每立方厘米)之间。这个密度告诉我们什么?”
他停顿了一下,等待大家思考。
“它告诉我们,边瞬星可能是一颗‘超级地球'或者‘冰巨星'。所谓超级地球,就是质量比地球大,但小于海王星的岩石行星。所谓冰巨星,就是类似天王星和海王星,主要由岩石、冰和气体组成。”
“根据目前的数据,我倾向于认为边瞬星是一颗冰巨星。它有一个岩石和金属组成的核心,外面包裹着厚厚的冰层——水冰、甲烷冰、氨冰等,最外面是气体大气层。”
“但要确定它的内部结构,我们需要更多数据。比如,我们需要精确测量它的引力场,看是否有质量分布的不对称性。我们还需要观测它的自转,这可以告诉我们内部的刚性如何。”
澳洲的艾玛通过视频提出了另一个问题:“边瞬星上有生命吗?或者说,它有可能适合生命存在吗?”
这个问题立刻引起了热烈的讨论。
褚飞骍想了想,谨慎地说:“这是一个非常有意思,但也很难回答的问题。让我们先看看事实。”
“首先,边瞬星目前的表面温度约零下几十摄氏度。这个温度下,水是固态的,大部分化学反应都极其缓慢。所以,至少在目前的温度下,边瞬星表面不太可能有活跃的生命。”
“但是,”他提高了声音,“边瞬星正在接近太阳。三个月后,它到达近日点时,表面温度可能会升高。虽然还很冷,但至少一些化学反应可以进行了。”
“更重要的是,”他继续说,“如果边瞬星有一个温暖的内部,比如说,地热或者放射性衰变产生的热量,那么在地下深处,可能存在液态水。而有液态水的地方,就有可能有生命。”
“我们知道,地球上的生命不仅存在于表面,也存在于地下深处。科学家在地下几公里深的地方发现了细菌,它们依靠地热和化学能生存,完全不需要阳光。”
“所以,”他总结道,“边瞬星上是否有生命,目前还是一个开放的问题。但它确实有可能在地下深处存在适合生命的环境。”
“那我们怎么才能知道答案?”艾玛问。
“只有一个办法,”褚飞骍说,“派遣探测器去实地考察。”
这个提议让会议室里的气氛一下子活跃起来。几乎所有人都开始交头接耳,讨论派遣探测器的可行性和必要性。
“我们应该尽快启动探测计划,”M国的萨拉首先发言,声音里带着明显的兴奋,“这是一个千载难逢的机会。一颗从星际空间来的行星,可能携带着关于其他恒星系统的信息,可能告诉我们行星是如何形成和演化的,甚至可能有生命的痕迹。”
她站起来,走到屏幕前,开始详细阐述她的想法。
“想想看,边瞬星在星际空间中漂泊了可能几万年。它经历了什么?它见证了什么?它的表面和大气中,可能保留着星际介质的痕迹,宇宙尘埃、宇宙射线的影响、甚至可能有来自其他恒星系统的物质。”
“如果我们能够采集它的样本,分析它的成分,我们就能了解银河系其他地方的化学组成。这对于理解星系的演化、恒星的形成、甚至生命的起源,都有重大意义。”
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