編者按："浩瀚的空天還有許多未知的奧秘有待探索"，為此，中科院之聲與中國科學院國家空間科學中心聯合開設「Calling太空」科普專欄，為大家講述有趣的故事，介紹一些與空間科學和航天相關的知識。
電影《流浪地球2》是2023年的春節檔影院的熱門影片。儘管原作小說的描繪較為簡略，但在劉慈欣先生創造的宏大設定背景之下，藉助日益發達的電影工業，電影製作團隊展現了一個波瀾壯波的太空浪漫之旅，鼓舞了熱愛科學和科幻的中國人。
今天我們要聊的話題，是「流浪地球」的起因「紅巨星」——未來的太陽，以及目的地「紅矮星」，人類嚮往的新家園——比鄰星（Proxima Centauri）。
太陽系待得好好的，為什麼要「流浪地球」？
有人認為如果人類誕生於其他星球，也會適應極高極低氣溫、極高極低氣壓，也可能不呼吸氧氣改呼吸二氧化碳、不喝水而是喝硫化氫，甚至可能生命的身體是以碳基以外的氮基、矽基物質構成的。其實並不盡然。宇宙中各個角落的物質，其構成元素是相同的，地球上的氫與太陽上的氫都是相同的元素，其化學特性也是相似的。碳從活性和所能形成的物質多樣性來說，都非常合適，才是當今「有機物」的基礎。因此，對於太陽這樣一顆巨大的發光發熱的球，地球離得太近溫度太高，離得太陽溫度低、光照能量太弱，對生命活動相關的物質過程不利，對水和大氣的留存也不合適，都不適合生命，所以科學上有一種「宜居帶」（habitable zone）的概念，也就是說適合生命的星球是處在恆星附近「恰到好處」的距離的。地球就處在太陽附近的宜居帶里，科學家尋找地球之外的文明時通常也是尋找在該恆星系中所處的位置屬於宜居的星球。
示意圖：地球處在太陽系的宜居帶（來源：百度百科）
1978年，天體物理學家麥可·哈特做了一個模擬計算，研究了太陽光度隨時間的變化。他認為，40億年前太陽的光度只有現在的70%，並且它在不斷增加。隨著太陽光度的增加，宜居帶向外推移。哈特將地球所處的狹窄條帶隨整個太陽系演變而向外推移的範圍稱為「持續宜居帶」。他的計算表明，如果地球與太陽的距離再遠1%，在地球演化史上將會出現一個不可逆轉的冰期，而如果距離太陽再近5%，地球上也可能處於一個不可逆轉的溫室狀態。後來的許多學者不斷修正了他的理論。
根據估計，17.5億年之後，外移的宜居帶可能就不再覆蓋地球所處的位置；50億年之後，太陽變大時其半徑就已經吞沒了地球的軌道。那麼地球在這時離太陽更遠一些可以嗎？也不行。太陽目前發生的核反應是燃燒氫原子產生氦，隨著燃燒區域逐漸往外走，中間變成了氦原子核，當氦原子核的體積增加的時候，內部中心的溫度和密度就會增加，這個時候突然就會把氦原子核點燃起來，也就是《流浪地球》中所講到的「氦閃」，太陽通過這個過程變成了一顆「紅巨星」（Red giant star）。這是一種看起來顏色是紅的，體積又很巨大的恆星，內部發生的就是氦核反應。紅巨星的能量巨大，燃燒更強，太陽大氣衝到更遠的地方，屆時包括冥王星這樣的偏遠星球都將被太陽吞沒，實際上太陽系中會難以生存。
質量僅為太陽1.1倍的大角星（Arcturus），體積卻比太陽（Sun）大了很多（來源：百度百科）
這個過程是幾十億年之後才會發生的，我們並不需要擔心，但《流浪地球》中的地球人卻不得不擔心，因為它們的太陽在電影中的幾十年到一百年的時間內就會發生氦閃。因此，留給地球人的時間不多了。
人類考量了各種各樣的計劃，還是決定保留儘量多的生命，因為「沒有人的文明毫無意義」。這就發生了「流浪地球」的故事，集合全人類的資源，推動地球飛行千年，去一個新家園——比鄰星。選擇它的原因很單純，就是「近」。
「比鄰星」在什麼位置？
「海內存知己，天涯若比鄰。」1915年，天文學家羅伯特·伊尼斯在南非的約翰尼斯堡天文台發現了一顆黯淡的恆星，距離太陽約4.2光年，是目前為止人類發現的除太陽以外距離我們最近的恆星，好比身邊的鄰居，故而得到「比鄰」這樣一個稱呼。
說是近，也只是相對於其他遙遠星球而已。「光年」是天文上的距離單位，是光以每秒約30萬千米的光速飛行一年所走過的距離，換算成咱們馬路上的單位就是9460730472580公里，高速公路上時速100公里的汽車需要不眠不休跑1千多萬年。「流浪地球」飛得很快，預計也要上千年。所以選擇這顆恆星作為新家園，主要是因為它的位置離我們近。
比鄰星是半人馬座（Centaurus）中半人馬座α星（Alpha Centauri）這個恆星系的一員——它就是《三體》小說中「三體人」所生活的星系。在南天星座中，半人馬座（Centaurus）是一個巨大的明亮星座。半人馬座位於長蛇座以南，豺狼座與船帆座之間，我國只有南方幾個省份在春天的晚上才能看到。半人馬座中有許許多多的星體，其中最亮的就是半人馬座α星，中國星名「南門二」。
半人馬座α星（Alpha Centauri）在星空中的位置
半人馬座α星中有兩顆大的恆星（A和B）和一顆小的恆星（C），A和B星圍繞各自對方為中心旋轉組成了轉動周期為80.089年的雙星系統，而C星則繞著它們公轉，偏心率約為0.5179。這顆C星就是比鄰星。
比鄰星是一顆什麼樣的恆星？
科學家鑑定比鄰星屬於「紅矮星」，這是一種什麼恆星呢？
在天文學中，恆星分類是將恆星依照光球的溫度分門別類。在一定的溫度範圍內，只有特定的譜線會被吸收，所以檢視光譜中被吸收的譜線，就可以確定恆星的溫度。1868年，安吉洛·西奇神父將光譜分為4類，並慢慢轉化為現在的分類。
矮星（Dwarf star），原指本身光度較弱的星，現專指恆星光譜分類中光度級為V的星，也就是像太陽一樣的小主序星。光譜型為O、B、A的矮星稱為藍矮星（如織女一、天狼），光譜型為F、G的矮星稱為黃矮星（如太陽），光譜型為K及更晚的矮星稱為紅矮星（red dwarf），是表面溫度低、顏色偏紅的矮星，也就是比鄰星這樣的恆星。不過，「白矮星」是另一種並非矮星的星球。
太陽（Sun）和小質量的恆星以及木星（Jupiter）、地球（Earth）的體積對比，根據說明，圖中小質量恆星Low Mass Star指的就是紅矮星（圖片來源：wiki百科）
我們的銀河系（也許所有星系都是如此）中70%的恆星都是紅矮星，大多數紅矮星的直徑及質量均低於太陽的1/3，表面溫度也低於3500開。它們比太陽更加暗淡，有時更可低於太陽光度的萬分之一。
比鄰星是M5V型紅矮星，是距離太陽最近的恆星，半徑大約是太陽的1/7，質量約為太陽的1/8，表面溫度大約3000開，確實是一顆很黯淡的小星星。
作為一顆平凡的紅矮星，比鄰星的形成估計為約48.5億年前，比太陽的（46億年）略早些。但由於其質量很小，熱核反應的速率很慢且不穩定，因此天文學家推算它的壽命可達千億年以上。通過X光波段觀測，發現它的外層大氣也存在噴發；通過紫外線波長觀測，它的自轉周期大約為31天。
由於比鄰星距離我們已然很遠，雖然科學家觀測了它的尺寸、亮度、運轉軌道等等，推論了很多的特性，但它身邊的「細節」，大多數依然是謎。希望未來有一天，不用「流浪地球」，也不用和「三體人」打交道，人類就可以近距離一睹比鄰星乃至半人馬座α星這個三體星系的真容。
來源：中國科學院國家空間科學中心
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