住在銀河系讓你增壽1小時(shí)，逃出銀河系讓你長(zhǎng)生永不死 | 賽先生天文
高速逃離銀河系中心的恒星（藝術(shù)圖），蘊(yùn)含了延緩衰老的訣竅，圖片來源：NASA
撰文 | 鄭曉晨（北京天文館）
責(zé)編 | 王馨心、呂浩然
長(zhǎng)生不死，自古皆求
時(shí)光易逝，最是人間留不住。從古至今，浪漫的中國(guó)人向來不乏對(duì)時(shí)間的詠嘆，所謂“光陰似箭，日月如梭”“逝者如斯夫，不舍晝夜”，多多少少帶著些“歲月不居，時(shí)節(jié)如流”的無可奈何。如何踩住時(shí)光的尾巴，摁下歲月的暫停鍵？這不僅僅是帝王霸主才會(huì)做的長(zhǎng)生美夢(mèng)，也是每個(gè)人都會(huì)好奇并關(guān)注的問題。
東晉穆帝永和年間，虞喜所作的《志林》當(dāng)中，記錄了這樣一個(gè)故事，很短，不過寥寥數(shù)語，卻細(xì)思恐極：“信安山有石室，王質(zhì)入其室，見二童子方對(duì)棋。看之，局未終，視其所執(zhí)伐薪柯已爛朽，遽歸鄉(xiāng)里，已非矣。”后人也稱這個(gè)故事為“王質(zhì)爛柯”，大意講了一個(gè)名為王質(zhì)的砍柴人，機(jī)緣巧合下誤入某個(gè)石洞，觀了場(chǎng)棋局，怎料棋局還未結(jié)束，手中的斧頭居然已經(jīng)爛掉，歸家后才發(fā)現(xiàn)早已滄海桑田物是人非的故事。有趣的是，作者虞喜并非文學(xué)家，他實(shí)際上是晉代著名的天文學(xué)家，也是我國(guó)最早發(fā)現(xiàn)恒星年和太陽年歲差并付諸精確計(jì)算的科學(xué)家。所以，相較于志怪小說，這個(gè)“洞中方一日，世上已千年”的故事更傾向于一個(gè)具有先鋒意義的古早科幻。
1915年，在遙遠(yuǎn)的西方，愛因斯坦不知道有沒有讀過這個(gè)來自東方的科幻故事，但重要的是，他跳脫出了經(jīng)典牛頓力學(xué)的桎梏，敏銳地洞悉了時(shí)空的真相，提出了革命性的廣義相對(duì)論。根據(jù)廣義相對(duì)論的預(yù)言，質(zhì)量導(dǎo)致時(shí)空彎曲，因此，引力勢(shì)阱中的時(shí)間流逝得更為緩慢。
圖1：質(zhì)量與時(shí)空彎曲，可以看出質(zhì)量越大、彎曲的程度也越大，改自圖源：C. Carreau/ESA, via Physics，其中地球、太陽與銀河系大小并非按照實(shí)際比例顯示。
銀河系的饋贈(zèng)：額外的1小時(shí)
根據(jù)廣義相對(duì)論，質(zhì)量越大，時(shí)空彎曲程度則越大（見圖1），就如同陷在網(wǎng)中的鐵球，鐵球越重，網(wǎng)兜塌陷的越深，時(shí)間拉伸地也更長(zhǎng)久。所以，理論上講“長(zhǎng)生”并非虛妄，前提是我們能夠陷入一個(gè)足夠深的引力勢(shì)阱中。
從這個(gè)層面上講，我們已經(jīng)足夠幸運(yùn)。我們所生活的銀河系，恰恰是一個(gè)還算可觀的引力勢(shì)阱，相比于那些如無根浮萍般飄蕩在宇宙間的其它生命體，銀河系已經(jīng)盡其所能地延緩了我們的衰老速度。得益于銀河系的庇護(hù)，我們甚至能夠估算出白賺的時(shí)間，訣竅就是追蹤那些高速轉(zhuǎn)動(dòng)并試圖逃離出銀河系的恒星，來計(jì)算銀河系的勢(shì)阱深度。
據(jù)觀測(cè)，太陽周圍那些逃離未遂的高速恒星群體的最高轉(zhuǎn)速約為每秒五百公里，幾乎是光速的六百分之一。綜合這些恒星的動(dòng)能，我們就可以粗略預(yù)估出銀河系的引力勢(shì)，進(jìn)而推算出，銀河系的引力勢(shì)阱將導(dǎo)致我們的時(shí)間膨脹（約）百萬分之1.3。如果人類的典型壽命是70-90 年，那么我們得天獨(dú)厚的誕生環(huán)境為我們爭(zhēng)取到額外的（約）1個(gè)小時(shí)壽命，來思考宇宙。
逃離銀河系的“永生”法門
銀河系的饋贈(zèng)不止如此。實(shí)際上，宇宙間還游曳著很多速度極快的恒星，它們就如同海洋中的旗魚一樣高速穿梭在茫茫太空中。這些高速恒星很可能是星系并合的產(chǎn)物。
在星系并合的過程中，它們恰好不幸地處于星系并合的焦點(diǎn)。兩個(gè)星系中心的超大質(zhì)量黑洞將通過踢除這些恒星而縮近彼此間的距離，就如同擊球手在公園里打出一系列的本壘打一樣。隨著兩個(gè)黑洞的軌道收縮，撞擊彈射更為用力，大量無辜的恒星由于引力彈弓效應(yīng)噴射出來，成為高速拋射的恒星群體。根據(jù)愛因斯坦的狹義相對(duì)論預(yù)估，這些恒星群體的拋射速度甚至可比肩光速，因此它們往往也被賦予“相對(duì)論性”的前綴。
圖2：星系的并合過程，圖片來源：NASA/ESA/Hubble
2014年，美國(guó)哈佛大學(xué)理論物理學(xué)家A. Loeb和其博后J. Guillochon預(yù)估了在廣闊無垠的宇宙中，“相對(duì)論性”高速恒星作為星系并合的產(chǎn)物，數(shù)目可能相當(dāng)豐富。如果借助全天的紅外望遠(yuǎn)鏡WFIRST或Euclid，自行巡天項(xiàng)目諸如LSST以及JWST光譜等世界一流的觀測(cè)設(shè)備，未來應(yīng)該能夠找到數(shù)以百計(jì)的“相對(duì)論性”高速恒星[1]。
不過，高速恒星的制造方法卻并非只有星系并合一個(gè)答案。1988年，天體物理學(xué)家J. G. Hills通過理論預(yù)言了一對(duì)密近雙星系統(tǒng)靠近銀河系中心時(shí)“勞燕雙飛”的命運(yùn)[2]。由于銀心區(qū)域超大質(zhì)量黑洞強(qiáng)大的潮汐瓦解作用，這對(duì)密近雙星將被強(qiáng)行分開，各自面對(duì)迥異的未來。一顆恒星將不由自主地靠向黑洞成為銀心區(qū)域眾多恒星中的一員，最終難逃被吸積的宿命；而另一顆恒星則借助于同伴的犧牲重獲新生，高速逃脫出銀心的束縛，成為一顆自由自在地游蕩在銀河光暈中的特殊天體。這一機(jī)制也被稱為Hills機(jī)制（如下圖）。
圖3：高速飛射恒星的雙星起源——Hills機(jī)制，圖片來源：改自文獻(xiàn)[3]
2005年，哈佛天體物理學(xué)家W. R. Brown及其合作者首次在銀暈中發(fā)現(xiàn)了一顆高速游離的恒星[4]，此后數(shù)年，天文學(xué)家又陸陸續(xù)續(xù)發(fā)現(xiàn)了幾十顆類似的銀心叛逃者。這些高速逃離銀心的幸運(yùn)兒，飛行速度可能高達(dá)光速的2%。而且，它們甚至可能并非孑然一身。2013年，哈佛天體物理學(xué)家A. Loeb和學(xué)生I. Ginsburg等人利用數(shù)值模擬的方法評(píng)估了恒星攜帶行星一起高速逃離銀河系中心的可能性，據(jù)說，未來我們甚至能用掩星法探測(cè)到這些高速飛離的行星系統(tǒng)[5]。
圖4：銀河系和高速恒星示意圖，圖片來源：Kong Xiao of NAOC
這無疑是一個(gè)非常有意思的推論。想象某一天，我們生活的地球也能隨著主星太陽一起被噴射出銀河系，這將會(huì)是一場(chǎng)多么驚心動(dòng)魄的太空之旅。我們將從銀河系中心啟程，一路風(fēng)馳電掣，見證銀河系內(nèi)的眾多旖旎風(fēng)光，并在百萬年內(nèi)，最終到達(dá)銀暈的邊緣。此后的十?dāng)?shù)億年時(shí)光，地球?qū)y帶人類文明自由地穿梭于星系間，途經(jīng)那些望遠(yuǎn)鏡目不能及的宇宙深處。這場(chǎng)前無古人后無來者的星際穿越套餐，同時(shí)也將是一次延年益壽的長(zhǎng)生之行。這樣一場(chǎng)接近光速的旅行，其時(shí)間膨脹效應(yīng)，將足以延緩所有相對(duì)論旅行者的自然衰老過程，為親歷者爭(zhēng)得一副長(zhǎng)生之軀。
天外來客與溝通困境
即便當(dāng)下我們不能親歷這場(chǎng)相當(dāng)劃算的（近）光速之旅，也應(yīng)該將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)銀河系中心，尤其是人馬座A*，在那里，一個(gè)超大質(zhì)量黑洞也許正彎弓拉箭蓄勢(shì)待發(fā)。正如同宇航員和觀眾在火箭發(fā)射期間紛紛涌向火箭發(fā)射地一樣，某些圖謀星際旅行的先進(jìn)文明很可能已經(jīng)向銀河系中心進(jìn)發(fā)。通過監(jiān)測(cè)來自銀河系中心區(qū)域的超高速噴射事件，或許某天我們能夠圍觀某個(gè)宜居行星隨其主星拋射出來的全過程。這些高速飛射的行星，如果是承載了其它地外文明的世外桃源，幸運(yùn)的話，我們或許還能觀賞一場(chǎng)來自外星的煙火。
不過，我們或許也很難與外星文明正面交鋒。想象一下，十億年前，在某顆遙遠(yuǎn)的恒星周圍，環(huán)繞著某顆孕育了地外文明的宜居星球，生活在其上的外星人類決定通過廣撒網(wǎng)的方式，向整個(gè)銀河系分發(fā)傳單，來昭示他們的存在或宣傳自己的文明。這些傳單類似于郵寄中的信件或漂浮瓶中的紙條，它們將攜帶寄件人希望傳達(dá)的信息離開發(fā)源地，穿越漫長(zhǎng)的時(shí)空，哪怕母星寂滅，文明傾覆，它們依然可能飄蕩在宇宙間。
從銀河系逃離，速度需達(dá)到（約）光速的千分之一，而迄今為止，我們應(yīng)用在航天器中的化學(xué)推進(jìn)速度不過銀河系逃逸速度的十分之一。假設(shè)這些外星傳單以實(shí)物形式在銀河系內(nèi)分發(fā)，它們很可能被束縛在銀河系中，一路風(fēng)塵仆仆地穿梭了數(shù)十億年，才被我們發(fā)現(xiàn)。另一方面，如果這些外星傳單是以光速傳播的電磁信號(hào)，它們將在數(shù)萬年間穿過銀河系不復(fù)回。相較于銀河系一百多億的年齡跨度，數(shù)萬年不過白駒過隙。如果足夠幸運(yùn)的話，這些電磁信號(hào)可能在駛離銀河系前被探知，但其實(shí)，它攜帶的不過是因旅途延遲的過期訊息。
2017年10月19日，我們首次發(fā)現(xiàn)一個(gè)太陽系外的來客——小行星奧陌陌（Oumuamua）。這個(gè)遠(yuǎn)道而來的天體以每秒26公里左右的速度從天琴座方向沿雙曲線軌道沖進(jìn)太陽系，幾乎垂直于黃道面。根據(jù)它的反光情況推斷，它應(yīng)該是一個(gè)雪茄狀（表面）顏色偏紅的固態(tài)天體，長(zhǎng)約數(shù)百米，寬約數(shù)十米[6]。奧陌陌與其它所有已知的太陽系內(nèi)小天體不同，它以極高的軌道離心率（約為1.2）穿越了整個(gè)太陽系，雖然近日點(diǎn)只有（約）四分之一個(gè)日地距離，卻沒有拖拽出一條長(zhǎng)長(zhǎng)的彗尾?；蛟S原因在于，它是一份來自其它文明的薄薄傳單。不過，這樣一個(gè)天外來客，太陽系自不會(huì)是它的終點(diǎn)。目前，它已越過天王星，正加速向飛馬座方向駛?cè)?，大概在兢兢業(yè)業(yè)踐行作為信使的職責(zé)。
圖5：奧陌陌藝術(shù)圖（上圖源：ESO/M. Kornmesser[6]）與數(shù)值模擬圖（下圖源：NAOC/Y. Zhang[7]）
不過，即使我們真正接收到了來自地外文明的信號(hào)，如何與之交流將是一個(gè)更為艱巨的任務(wù)。畢竟即使共處同一個(gè)星球，共享同一套通信設(shè)備的地球人之間尚且存在交流壁壘，更何況與跨文明的外星人間互通有無。未來，如果我們能夠有幸通過信使與外星文明間接接觸，最可能的溝通方式還是應(yīng)該寄希望于涵蓋了高級(jí)算法的人工智能系統(tǒng)。當(dāng)然，這些系統(tǒng)必須足夠智能，擁有根據(jù)愿景自主行動(dòng)的能力。當(dāng)下的人工智能雖然難堪大任，不過還是未來可期。一旦人工智能算法能夠圓滿解決元宇宙中人類的跨文化交流問題，那么應(yīng)用到跨文明的交流也應(yīng)水到渠成?；蛟S，未來我們面對(duì)的外星來使也是人工智能宇航員，能夠在不同星際語言頻道間輕松切換，談笑風(fēng)生間化干戈為玉帛。
幾年前上映的科幻電影《降臨》（Arrival），就描繪了這樣一個(gè)跨文明交流的愿景：某一天，攜帶著外星人的太空船降臨地球，頂級(jí)的多語言學(xué)者試圖掌握外星人的語言規(guī)律，了解外星人到訪動(dòng)機(jī)?？杀趬緹o處不在，國(guó)與國(guó)間的猜忌與誤會(huì)，隱晦復(fù)雜的外星符號(hào)，大戰(zhàn)一觸即發(fā)，世界動(dòng)蕩不安。不同文化、文明間的成見，語言表達(dá)方式的差異性等等話題確實(shí)是未來值得深思的方向。不過，電影對(duì)這類建設(shè)性問題的探討僅僅淺嘗輒止，結(jié)局就如同所有美式電影一樣難免俗套，最終破局都要靠一個(gè)心懷大愛的美國(guó)英雄（嘴炮王者）三言兩語間力挽狂瀾拯救世界，維護(hù)了宇宙的和平，這大概也是一種反諷現(xiàn)實(shí)的藝術(shù)形式吧。
雖說這是一部典型的披著科技外衣的美式英雄主義電影，我們還是能夠提取一些有用的啟示。比如，我們期待中的與外星生命的相遇，是一場(chǎng)和平的邂逅而非資源掠奪與兵戎相見。
此外，我們的語言往往受限于我們的想象力。所以，對(duì)意料之外的事實(shí)保持開放的態(tài)度，將極大豐富我們的詞匯量。最后，燦爛的未來一定是屬于團(tuán)結(jié)互信的人類，畢竟，相比于遙遙無期的抗衰時(shí)空之旅，因信息缺失、交流不暢所引發(fā)的沖突與對(duì)抗，其帶來的生存風(fēng)險(xiǎn)當(dāng)下更顯迫在眉睫。
后記：了解宇宙、方得永生
曾經(jīng)制霸全球長(zhǎng)達(dá)1.6億年的恐龍，大概從未想過抬頭看一看頭頂上方的那片星空，結(jié)果，當(dāng)希克蘇魯伯小行星撞擊北半球時(shí)，一個(gè)時(shí)代至此終結(jié)。所以，了解我們的同類，了解太陽系、銀河系，乃至了解整個(gè)宇宙，才是人類能夠延續(xù)長(zhǎng)久的關(guān)鍵。
銀河系長(zhǎng)生指南最終篇：了解宇宙，方得永生！
注釋及參考文獻(xiàn)：
本文主要參考自A. Loeb的兩篇科普文章，部分觀點(diǎn)陳述有所更改：
https://avi-loeb.medium.com/milky-way-gifts-to-life-expectancy-6e2871ccdad7
https://avi-loeb.medium.com/communicating-with-extraterrestrials-9eaf20b15def
Avi Loeb —— 伽利略計(jì)劃的負(fù)責(zé)人，哈佛大學(xué)黑洞計(jì)劃的創(chuàng)始主任，哈佛-史密森天體物理中心理論與計(jì)算研究所所長(zhǎng)，哈佛大學(xué)天文學(xué)系前任系主任。他同時(shí)是 Breakthrough Starshot 項(xiàng)目的顧問委員會(huì)主席，也是美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)顧問委員會(huì)的前成員，并擔(dān)任了美國(guó)國(guó)家科學(xué)院物理和天文學(xué)委員會(huì)的前任主席。著有暢銷書：《外星人：地球以外智能生命的第一個(gè)跡象》和《宇宙中的生命》，均于2021年出版。
其它補(bǔ)充參考文獻(xiàn)：
[1] https://arxiv.org/abs/1411.5022
[2] https://www.nature.com/articles/331687a0
[3] https://doi.org/10.1146/annurev-astro-082214-122230
[4] https://iopscience.iop.org/article/10.1086/429378/pdf
[5] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2013AAS...22123403G/abstract
[6] https://solarsystem.nasa.gov/asteroids-comets-and-meteors/comets/oumuamua/in-depth
[7] https://www.nature.com/articles/s41550-020-1065-8
saixiansheng@zhishifenzi.com
