寻找人类的第二家园

王科超

15-16世纪之交，新航路的开辟和“新大陆”的地理发现是影响人类历史发展进程的重大事件。如今，当人们用新的目光瞄向古老的星空时，寻找适合人类生存的第二家园就成了全人类的期待。

在太阳系的8颗行星中，土星、木星、天王星和海王星是气态行星，且距离地球比较远;水星、金星和火星是固态行星，属于类地行星，距离地球比较近。从人类自身的需求考虑，固体行星更利于人类开发利用，因此也更受科学家们的青睐。

在所有的太陽系天体中，乍看起来，火星很像地球。它是紧靠地球外侧运行的行星。火星与太阳之间的平均距离为1. 52A1f（天文单位），公转周期为687地球日（1. 88地球年），自转周期为24小时37分22.6秒，平均火星日为24小时39分35.244秒。火星与地球相近，也是歪着身子绕太阳旋转，自转轴倾角为25. 19度，因此也有四季，只是季节长度约是地球的2倍。火星表面也可划分出热带、南北温带、南北寒带5个气候带。火星的内部结构也和地球一样，从内而外是火星的地核、地幔和地壳，并且表面也拥有一层大气层。火星上还有平原、火山、峡谷、高原等各种地貌，甚至还有大量的河床、海床和沉积物等地貌，表明这颗红色星球曾经有大量的液态水存在……所有这一切都在暗示它与地球可能像兄弟一般相似。难怪人们把火星比作是“天空中的小地球”，在火星这个奇妙的舞台上，寄托着我们的希望和幻想！

火星档案

不过真正的火星是一个残酷的世界，它的真实面目远比我们一厢情愿的认识要复杂得多。

火星到太阳的距离大约是地球到太阳距离的1.5倍，所以火星接收到太阳的光和热只有地球的43%，火星上的平均温度大约为55℃，但四季温差巨大，从冬天的133℃到夏日白天的将近27℃。火星的赤道半径为3395千米，约是地球的一半。而其体积还不到地球的1/6，质量仅是地球的1/10，重力加速度是地球的1/3多一点，这意味着在火星上被我们大力踢出的足球，足足可以飞到800米开外。火星表面的平均大气压强大约为7毫巴，还不到地球（760毫巴）的1%，相当于地球海拔32千米处的大气压，人体在没有防护的情况下置身其中，人会因血液迅速汽化而死亡。火星的大气成分与地球大为不同，稀薄的大气主要是由遗留下来的二氧化碳（95.3%）加上氮气（2.7%）、氩气（1.6%）和微量的氧气（0.15%）以及水汽（0.03%）组成。稀薄而干燥的大气层无法阻挡太阳紫外线的辐射，更无法有效防御频繁的小行星撞击。

尽管火星的大气很稀薄，但是火星表面的风速却不含糊，可高达180米/秒多，每年都要刮起含有大量尘粒的风暴，像巨大的黄龙一般横扫大地，将火星搅得天昏地暗。大风暴有时会席卷整个星球，火星上空70～80千米都被尘埃所笼罩。干燥异常的大气加上沙尘暴，使得火星表面大部分成为遍布岩石和砂砾的荒芜之地。火星的土壤中含有大量的氧化铁，由于长期受紫外线的照射，就生成了一层红色和黄色的氧化物。大气中的微尘也使天空呈现为橙红色，整个火星看上去就像是一个生了锈的世界，分外荒凉。

火星荒芜的真相

目前，所有的科学研究均清晰地表明，火星是一颗“死”行星，火星上没有生命，也不适合人类直接在上面居住。但是另一方面，在火星上搜集到的大量证据表明，在远古的火星上，海洋、河流、足够的大气、雷暴等等都是常见的，与今天的地球有着极高的相似度，火星过去很可能拥有生命。那么，是什么原因造就了今天地球是太阳系中唯一拥有生命的行星，而火星却是一颗生命荒芜的“死”行星呢？

太阳系内部五颗行星轨道，火星和木星间明显有个空隙。

火星的荒芜受多种因素影响，但最重要的一点是个头，这早在出生时刻就已经注定了。现代理论认为，太阳系是从气体和尘埃组成的原太阳星云收缩演化而来的。在太阳系演化早期，太阳星云的核心形成了太阳，周围的物质逐渐落入环绕太阳的原行星盘中，原行星盘内物质吸聚成为小星子，小星子相互碰撞结合又组成了行星胚胎，行星胚胎继续吸积轨道周围的物质，最终生长成为行星。理论上，在木星轨道内越远离太阳，行星轨道周长越大，能够吸积的物质越多，最终形成的行星质量就越大。在4颗类地行星当中，居内侧运行的3颗行星——水星、金星和地球均符合这一规律。但是火星的质量却大幅减小，只有地球的1/10。造成这一结果的“罪魁祸首”就是今天行星中的巨无霸——木星。在太阳系演化早期，由于木星快速演化，周围物质被大量吞噬，木星引力影响的范围越来越广，导致了火星轨道处的物质越发贫瘠，火星的个头也因“营养不良”长不大。其实最悲催的还不是火星：找到一张太阳系等比例的地图，你就会发现，这火星和木星轨道间的缝隙怎么看都有点大。如果加上主带小行星的轨道，图片立刻显得和谐很多。其实小行星带那里原本应该存在一颗大行星，但是那里的大部分物质都被木星所吸积了，所剩的“残羹冷炙”太少，使得行星胚胎无法继续生长而保持了小行星的状态，那颗“胎死腹中”的行星才是最大的受害者。看来弱肉强食的规则在行星之间也是成立的。

系外行星

火星的化学组成与地球类似，并且有着与地球相似的形成和早期演化过程，甚至也有过湿润而适合生命演化的环境。但它的个头天生比地球小，注定了它后期的悲凉命运。个头小这就意味着火星的引力更弱，因此火星大气中的气体分子，包括水分子，都从轻而易举地从火星表面逃逸。同时，较小的引力也意味着火星上的山可以更高，谷可以更深而不会受自身重量崩塌。火星本身较小的尺寸也使得核心放射性元素衰变产生的热量更容易散失，内部早早地冷却，从而使得火星上的火山活动停止，全球磁场也跟着消失。火星缺少了火山活动，大气层得不到行星内部气体的补充，而磁场的消失，使得太阳风粒子可以从行星表面直接吹过，加速大气的逃离，表面的海洋也跟着蒸发了，因而使它成为一个干燥而荒芜的星球。

当然，人类在火星探索中也获得了令人欣喜的消息：火星表层和深处可能存在大量稳定的液态水。水，尤其是液态水被认为是生命存在的必要条件，更是人类未来想要在火星上长期生存所需要开发利用的重要资源。火星的两极存在巨大的白色极冠，极冠主要由大约2000米厚的水冰层和数米厚的干冰层组成。若把极冠中的冰全部融化成水，可在火星表面形成10米深的大海。由于火星气候寒冷，两极极冠都是永久的，但是会随着季节的变化消长，火星地表以下以及南极高原冰盖深处还存在湖泊。此外，表层也发现了液态水存在的证据。

尽管火星不适合人类直接居住，但是放眼整个太阳系，在火星上“就地取材、因地制宜”建造航天基地却有着众多的便利，火星仍然是人类征服太空的理想跳板。

人类的下一个栖息地

让我们把目光投向更远处的星空，银河系中存在上千亿颗恒星，宇宙中又有数百亿个星系，太阳系之外的恒星周围是否会有类似地球环境的行星存在？那里能否成为人类生存的第二个家园？

这个问题并不是从现代才开始思考的。早在公元前4世纪，亚里士多德就曾提出过一个哲学命题——“我们在宇宙中是否孤独？”。问题的答案，随着人类文明和科学的发展逐渐清晰起来。自1995年第一颗围绕主序星的系外行星被天文学家发现，到今天，人们已经有多种探测手段来发现系外行星。目前，天文学家在银河系中发现并确认的系外行星已超过4000多颗，特别是开普勒太空望远镜发现了超过2300多颗行星。这些行星大小不一、形态各异，包括热木星、亚海王星、类地行星、超级地球等类型。在这些行星当中，那些位于类太阳型恒星的宜居带、与地球类似的所谓宜居行星是人类追寻系外行星探测的终极目标。这类行星直径大约在地球的0. 5～1.5倍之间，可以拥有岩质的表面和大气。轨道在寄主恒星的“宜居带”内，即根据中央恒星的类型和辐射强度，与中央恒星相隔一段合适的距离，使得此处的行星表面平均温度能够使液态水稳定存在。此外，我们也希望它能同时拥有与地球一样的磁场和大气，可以保护生命免受星际辐射和其他小天体撞击的危害。尽管目前天文学家已发现数十颗宜居行星，但是它们的宜居条件与地球相比还是相距甚远。

类地行星

近几年，我们经常从媒体上听到“地球2.O”的天文发现，但是要发现真正的“地球2.O”，依然是長路漫漫。比如迄今发现“最接近地球”的系外宜居行星开普勒452b，虽然它与恒星之间的距离接近日地距离，不过它的直径是地球的1.6倍，质量是地球的5倍，与地球的差异依然巨大。

此外，我们对系外行星的搜寻仍然受关键技术的限制：首先，我们很难获取较小的系外行星的光谱，因此对行星本身的了解就非常受限，这一状况甚至在未来几十年中都很难改变;其次，现有的方法尚不能有效地探测出距离最近的恒星周围的潜在宜居行星。即使有一天，我们真的找到了和地球一样宜居的行星，遥远的星际距离和没有堪当大任的宇航技术恐怕也会成为抵达这个宜居行星难以逾越的鸿沟。

正如2019年诺贝尔物理学奖得主、致力于系外行星探测的天文学家迪迪埃·奎洛兹和米歇尔·麦耶指出的那样：“所谓星际移民是既不负责任又徒劳的想法。好好保护我们唯一赖以生存的家园——地球才是王道。”