尋找厄拉科斯星：亦真亦幻的“沙丘”世界

1 9 6 5年，弗蘭克·赫伯特著就了《沙丘》系列的第一部作品，這一時(shí)間甚至比環(huán)境學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主真鍋淑郎發(fā)表其里程碑級(jí)的第一個(gè)氣候模型還要早了兩年。雖然赫伯特時(shí)代沒(méi)有超級(jí)計(jì)算機(jī)，但是他還是以超凡的想象力和靈感，構(gòu)建出了一個(gè)極度真實(shí)的異星世界，在6 0年之后的我們看來(lái)，它仍然頗具前瞻性。

模擬“沙丘”——構(gòu)建厄拉科斯氣候模型

針對(duì)" 沙丘" 世界中的厄拉科斯星球的行星氣候研究，可以通過(guò)構(gòu)建一個(gè)合理的氣候模型——只不過(guò)模擬的尺度達(dá)到了行星尺寸——便可以對(duì)這顆想象中的行星上可能出現(xiàn)的各種氣候狀況進(jìn)行模擬。這一工作此前已由英國(guó)布里斯托大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)完成。

在《沙丘》的設(shè)定中，厄拉科斯是一顆沙漠行星，幾乎沒(méi)有降水，而且時(shí)常發(fā)生沙塵暴等極端天氣。這里的沙塵暴兇猛、強(qiáng)大，風(fēng)速高達(dá)每小時(shí)5 0 0千米，飛揚(yáng)的沙塵可以將人類(lèi)的皮肉從骨骼上剝離。

然而厄拉科斯并不總是一片沙漠，在《沙丘》的傳說(shuō)故事中，這顆行星表面的9 1% 曾經(jīng)被海洋所覆蓋，直到一次災(zāi)難導(dǎo)致沙漠化開(kāi)始發(fā)生，星球表面剩余的水則被一種入侵物種“沙鮭”（sand trout）吸收并帶入地下，致使厄拉科斯最終變成一座巨大的沙丘。沙鮭，正是眾所周知《沙丘》主角“沙蟲(chóng)”的幼體。

構(gòu)建厄拉科斯的仿真氣候模型并不是一件簡(jiǎn)單的事情，小說(shuō)中只向讀者展現(xiàn)了行星氣候的演變結(jié)果，但并未告知其中的細(xì)節(jié)。研究團(tuán)隊(duì)保留了與地球相似的物理規(guī)律和大氣運(yùn)動(dòng)方式——這些設(shè)置對(duì)“沙丘宇宙”來(lái)說(shuō)大體一致。從山脈的形狀到行星大氣成分，再到主恒星的輻射強(qiáng)度等，這些參數(shù)都被一一輸入模擬程序。

好消息是，《沙丘》之“科幻”以科學(xué)在先，弗蘭克·赫伯特與其子布萊恩·赫伯特以及好友凱文·J. 安德森對(duì)于“沙丘”世界的設(shè)定極為全面，其行星地形及軌道信息都可以從作品中獲得。

厄拉科斯的行星軌道基本是圓形的，類(lèi)似于今天的地球軌道。這一參數(shù)的確會(huì)影響氣候，在科幻作品中也有所體現(xiàn)，最著名的例子之一是在《權(quán)力的游戲》里，行星軌道橢率過(guò)大導(dǎo)致了漫長(zhǎng)而不規(guī)律的冬季出現(xiàn)。

對(duì)于厄拉科斯的行星大氣成分，赫伯特在《沙丘》的附錄中也給出了一些額外的信息（這些信息以行星科學(xué)家帕多特·凱恩斯——女主角契妮的祖父——的研究筆記的方式給出）。比如，大氣中存在7 5.4% 的氮?dú)夂?3% 的氧氣；再比如，厄拉科斯低層大氣中的臭氧比地球上的更多，這使得其表面具有更為嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。

輸入所有的必要參數(shù)之后，模擬程序?qū)㈤_(kāi)始運(yùn)行，構(gòu)建一個(gè)完整的厄拉科斯行星氣候模型以供研究。

非常有趣的是，盡管計(jì)算機(jī)模擬出的沙丘世界與赫伯特作品中的環(huán)境極為接近，但在一些關(guān)鍵細(xì)節(jié)上仍舊存在出入。例如，在設(shè)定上，《沙丘》中厄拉科斯的人口聚集在極地附近，因?yàn)檫@里的氣候相對(duì)宜居，并且北極地區(qū)存在著冰蓋。然而在模擬中，最極端的天氣往往出現(xiàn)在中緯度和極3daed4be28d0c19c83cecd06eb7832e739c6b4c5741c873c54663b6c60f5ef4a地地區(qū)——而不是赤道地區(qū)，并且夏季的嚴(yán)酷高溫可以融化任何極地冰蓋，同時(shí)，冬季也幾乎不會(huì)有降雪來(lái)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充。

人類(lèi)真的能在這樣的環(huán)境中生存嗎？答案很可能比較消極。書(shū)中人類(lèi)主要聚居的中高緯度地區(qū)，月平均溫度可以達(dá)到五六十?dāng)z氏度，最高溫度可以達(dá)到7 0攝氏度以上，這樣的溫度對(duì)普通人類(lèi)來(lái)說(shuō)顯然是致命的。

《沙丘》中的厄拉科斯居民——弗雷曼人，總是穿著名為“蒸餾服”（stillsuits）的特殊服裝，這種覆蓋全身的防護(hù)服既能幫助人類(lèi)保持身體涼爽，又可以回收因?yàn)榕藕购秃粑魇У乃帧８ダ茁税l(fā)明了諸多設(shè)備以抗衡厄拉科斯的沙漠化氣候，白天他們一般待在地底深穴中以對(duì)抗地表高溫，夜晚溫度降低時(shí)才進(jìn)行大規(guī)模行動(dòng)。這些設(shè)定的確非常符合沙漠中的生存之道，然而面對(duì)模擬得出的厄拉科斯氣候模型中的極端天氣，或許任何生命想要生存下來(lái)都不是一件簡(jiǎn)單的事情。

撒哈拉沙漠還是火星？“沙丘”到底在哪里

在赫伯特精巧而細(xì)致的設(shè)定中，厄拉科斯的原名Arrakis 來(lái)源于天龍座μ，也就是中國(guó)星表中的天棓增九。但在小說(shuō)中，它作為一顆行星坐落在老人星（也就是船底座α）的第三行星軌道上，這是全天亮度僅次于天狼星的恒星，在世界各地神話(huà)中時(shí)常能見(jiàn)到其身影。同時(shí)，這顆恒星也被廣泛應(yīng)用于海上導(dǎo)航。然而時(shí)至今日，我們并未真正發(fā)現(xiàn)這顆恒星的區(qū)域內(nèi)存在行星系統(tǒng)，更不必提在赫伯特時(shí)代——那時(shí)，第一顆系外行星都尚未被發(fā)現(xiàn)。

“沙丘”世界中對(duì)于厄拉科斯的描寫(xiě)，很大程度上是基于地球上的沙漠與火星探測(cè)的相關(guān)成果。赫伯特最初的確考慮將火星作為小說(shuō)《沙丘》的背景，但考慮到對(duì)于火星的幻想作品在當(dāng)時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)很多，讀者看到此或許會(huì)先入為主地固化理解，于是作者便將世界虛構(gòu)在厄拉科斯之上。

不過(guò)，距離地球最近的這顆紅色行星——火星，的確是最接近書(shū)中所描寫(xiě)的厄拉科斯的實(shí)際天體。

火星是太陽(yáng)系由內(nèi)向外數(shù)的第四顆行星，直徑只有地球的一半，稀薄的大氣層覆蓋著這顆行星的表面，主要由二氧化碳、氮?dú)夂蜌鍤饨M成，其大氣壓只有地球的1/1 0。這樣稀薄的大氣既不能提供對(duì)于隕石、小行星等天體撞擊的保護(hù)，也無(wú)法維持比較穩(wěn)定的大氣溫度。

火星上的溫度隨著高度升高而降低的速度非常快。正午時(shí)分，站在火星的赤道上，你的雙腳會(huì)感受到約2 4攝氏度的土壤的溫暖，你的頭頂卻會(huì)處于0攝氏度的凜冬之中。

與厄拉科斯相似，火星的地表也沒(méi)有任何液態(tài)水存在，僅在兩極區(qū)域可能存在一些水冰，但這里的絕大部分冰蓋都是固態(tài)的二氧化碳。火星上甚至?xí)迪掠赡痰亩趸紭?gòu)成的雪花，形成霧靄一般的奇景。

火星的大部分區(qū)域被戈壁和沙漠覆蓋，由于土壤中富含鐵元素，這些鐵元素會(huì)在大氣中形成赤紅色的鐵氧化物塵埃。天空因?yàn)檫@些懸浮著的塵埃呈現(xiàn)出朦朧的紅色，太陽(yáng)也因?yàn)榇髿庹凵涑尸F(xiàn)出詭異的藍(lán)色光芒。

稀薄的大氣使得氣體對(duì)流變得更為劇烈和頻繁，火星上普遍存在著大型風(fēng)暴和沙塵暴。每個(gè)火星年都可能發(fā)生超過(guò)2 0 0 0次的地區(qū)性塵暴，并且多發(fā)于南半球的春夏之際——這些細(xì)節(jié)在《沙丘》中被“還原”得很詳細(xì)。火星上的全球性塵暴大約每3個(gè)火星年發(fā)生一次，通常由較小的塵暴合并而成，這些塵暴能夠覆蓋火星表面1/4以上的范圍，甚至可以在地球上利用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到。

火星的引力比地球小得多，這也使得它的地貌呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的特征。這里有太陽(yáng)系中最大的火山——奧林匹斯山，高度比珠穆朗瑪峰還要高出3倍有余。火星上還布滿(mǎn)眾多溝壑峽谷，一些研究結(jié)果顯示，火星地表在過(guò)去可能存在過(guò)液態(tài)水，才使得一些古老的河谷網(wǎng)絡(luò)、三角洲和湖床被保留下來(lái)。更多的研究發(fā)現(xiàn)，火星在數(shù)十億年前可能更加適宜人類(lèi)居住：具有厚實(shí)的大氣層、豐富的地表水資源和適宜的氣溫——就像曾經(jīng)的厄拉科斯一樣。

一些理論認(rèn)為，是引力和行星磁場(chǎng)的匱乏，讓火星大氣在太陽(yáng)風(fēng)的影響下逐漸泄漏到宇宙空間中；還有一種假說(shuō)認(rèn)為，是一顆小天體的猛烈撞擊將大氣從火星的表面剝離。不管是怎樣的一場(chǎng)災(zāi)難，都讓火星失去了絕大部分大氣；缺少大氣的保護(hù)，又讓地表的液態(tài)水逐漸消失，最終火星從一座溫暖濕潤(rùn)的樂(lè)園變成如今寒冷干旱的沙丘。

好消息是，火星的地表之下或許仍有水冰，甚至是液態(tài)水存在。事實(shí)上，地下的液態(tài)水庫(kù)在太陽(yáng)系中并不罕見(jiàn)。木衛(wèi)二（Europa）的地表之下一直被認(rèn)為存在一片海洋，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡甚至拍攝到過(guò)從這顆衛(wèi)星表面噴出的水柱；木衛(wèi)三（Ganymede）、木衛(wèi)四（Callisto）、土衛(wèi)二（Enceladus）、土衛(wèi)六（Titan）等衛(wèi)星的地下也都存在液態(tài)海洋，“卡西尼- 惠更斯”號(hào)探測(cè)器還在土衛(wèi)二上觀測(cè)到了壯觀的極地噴流，并從噴射物中檢測(cè)到了多種有機(jī)分子。不僅如此，土衛(wèi)六其實(shí)也像厄拉科斯一般，整顆行星都被橙紅色的霧靄所覆蓋，但是它們并非沙塵，而是由含氮有機(jī)分子分解形成的多種化合物。2 0 2 4年，美國(guó)國(guó)家航空航天局最終批準(zhǔn)了目標(biāo)土衛(wèi)六的“蜻蜓”號(hào)太空任務(wù)，預(yù)計(jì)于2 0 2 8年發(fā)射“蜻蜓”號(hào)旋翼飛機(jī)，并于2 0 3 4年抵達(dá)，以對(duì)這顆可能蘊(yùn)含著生命形成關(guān)鍵信息的土星衛(wèi)星進(jìn)行更為詳盡的探測(cè)。

“沙丘”之后：系外行星探測(cè)30年

1 9 2 0年，赫伯特出生之際，恰好時(shí)值“世紀(jì)大爭(zhēng)辯”：哈羅·沙普利與希伯·柯蒂斯等天文學(xué)家卡殼在“銀河系究竟是否就是整個(gè)宇宙”這一問(wèn)題上。直到1 9 2 4年埃德溫·哈勃完成了對(duì)仙女星系中星系團(tuán)的距離測(cè)算后，才終于證明了銀河系不過(guò)是茫茫宇宙中無(wú)數(shù)星系的一分子，而太陽(yáng)系只是這片汪洋中的一顆沙礫。

尋找地球之外的宜居行星并不是一件簡(jiǎn)單的事情，不管是月球、火星還是金星，都曾一度被人們認(rèn)為有生命甚至文明存在，然而更為細(xì)致入微的觀測(cè)結(jié)果往往傾向于推翻這些假設(shè)。

早在數(shù)十年前，天文學(xué)家就將目光望向了太陽(yáng)系之外。2 0世紀(jì)中期，隨著天體測(cè)量學(xué)的發(fā)展完善，以及觀測(cè)設(shè)備精度的日益提高，對(duì)于恒星光度、位置和軌道的測(cè)量已經(jīng)相當(dāng)精確，隨著新一代空間望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)，這一精度已經(jīng)達(dá)到千分之一角秒的量級(jí)。

對(duì)恒星性質(zhì)的精細(xì)測(cè)量使得行星對(duì)恒星產(chǎn)生的細(xì)微影響可以被觀測(cè)到。在1 9 9 2年，波蘭天文學(xué)家亞歷山大·沃爾茲森和加拿大天文學(xué)家戴爾·弗雷在對(duì)室女座脈沖星PSR 1 2 5 7+1 2進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，成功發(fā)現(xiàn)了兩顆行星，它們也是人類(lèi)歷史上首次發(fā)現(xiàn)的系外行星。然而，脈沖星周邊的空間環(huán)BTwjM2ikgVPh5qWO0sLPELVjfSuadkwjYflDlWnQV5k=境極為惡劣，想要在這些行星上催生文明，勢(shì)必是一件極為困難的事情。

第一顆圍繞類(lèi)太陽(yáng)恒星公轉(zhuǎn)的行星，是1 9 9 5年由瑞士天文學(xué)家米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲通過(guò)監(jiān)測(cè)恒星軌道變化發(fā)現(xiàn)的飛馬座5 1b。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)意味著系外行星探索時(shí)代的開(kāi)始，他們二人也因此獲得了2 0 1 9年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

受限于地基望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)能力，以及觀測(cè)時(shí)的環(huán)境因素，直到2 0 0 9年，人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的系外行星僅4 0 0余顆，其中利用凌星法發(fā)現(xiàn)了5 0余顆。確認(rèn)了凌星法可行性的研究人員意識(shí)到，在大氣層外使用空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行系外行星的探測(cè)也許勢(shì)在必行。

于是，2 0 0 9年，開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空，系外行星搜尋也進(jìn)入井噴時(shí)代。服役9年期間，開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)超過(guò)5 0萬(wàn)顆恒星進(jìn)行了光度檢測(cè)，以試圖依靠凌星法監(jiān)測(cè)系外行星的存在。這一設(shè)備一舉將人類(lèi)已知的系外行星的數(shù)量提升至千顆量級(jí)，并且讓研究人員確定：宇宙中存在著大量的系外行星，并且，恒星周?chē)毡橛行行谴嬖凇?/p>

Tips：

除了依靠觀測(cè)行星引力對(duì)恒星產(chǎn)生影響的天體測(cè)量和視向速度法，凌星現(xiàn)象也是一種非常有效的系外行星搜尋手段。凌星發(fā)生在行星運(yùn)行至恒星前方時(shí)，行星會(huì)遮擋住其部分光線(xiàn)，使得恒星的亮度會(huì)經(jīng)歷短暫的下降之后回升至原來(lái)位置。這種亮度的變化是極為微弱的，直到21世紀(jì)，隨著對(duì)天體的測(cè)光精度的大幅度提升，研究人員才能用凌星法去觀測(cè)系外行星。2000年，美國(guó)田納西州立大學(xué)的格雷戈里·亨利與哈佛天文學(xué)家大衛(wèi)·查博內(nèi)歐領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)工作團(tuán)隊(duì)，分別利用凌星法獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了系外行星HD 209458b——它同樣圍繞一顆類(lèi)太陽(yáng)恒星公轉(zhuǎn)。

為了對(duì)系外行星展開(kāi)更大規(guī)模的搜尋工作，2 0 1 8年4月，凌星系外行星巡天衛(wèi)星發(fā)射升空，作為開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡的繼任者來(lái)開(kāi)展系外行星探測(cè)工作。截至2 0 2 4年4月1日，已經(jīng)有5 6 5 3顆位于4 1 6 1個(gè)行星系統(tǒng)中的系外行星被認(rèn)證存在。

可是如此之多的系外行星之中，人類(lèi)最為關(guān)注的問(wèn)題——地外文明，以及依據(jù)的地外行星究竟是否存在？若存在，又存在于哪里——并未得到解決。開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡確認(rèn)了至少5 4顆系外行星位于其宿主恒星的宜居帶內(nèi)。然而宜居帶是一個(gè)非常寬泛的概念，目前最主要的對(duì)其的概念限制，是恒星附近能夠使液態(tài)水存在的軌道區(qū)域。對(duì)太陽(yáng)來(lái)說(shuō)，這一范圍從金星軌道內(nèi)側(cè)延伸至火星軌道外側(cè)。然而眾所周知，目前我們也只在中間的地球上確認(rèn)了生命存在。

在發(fā)現(xiàn)了宜居帶內(nèi)行星之后，科研人員需要更加敏銳的探測(cè)器來(lái)對(duì)這些行星進(jìn)行細(xì)致入微的探測(cè)——詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡恰好就是這件利器。

詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡的主要科學(xué)目標(biāo)之一便是利用光譜數(shù)據(jù)研究系外行星的大氣層，以確認(rèn)其中的物質(zhì)組成，這能夠幫助研究人員確定生命是否、能否存在于這顆行星。同時(shí)它還攜帶了日冕儀，這一設(shè)備可以遮擋住宿主恒星發(fā)出的光，來(lái)直接觀測(cè)那些毗鄰恒星的系外行星。詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡前所未有的靈敏度和光譜分辨率與此前的開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡、凌星系外行星巡天衛(wèi)星相輔相成，可以為我們帶來(lái)這些宜居帶內(nèi)系外行星的眾多全新成果。

得益于詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡出色的能力，研究人員已經(jīng)在距離地球4 0光年外的行星VHS 1 2 5 6b 上發(fā)現(xiàn)了一場(chǎng)肆虐的沙塵暴——那里也是一片沙丘。與地球上的沙塵暴不同的是，這顆行星上的沙礫要小得多，以至于這場(chǎng)沙塵暴看起來(lái)更像是一場(chǎng)“巖石霧”。VHS 1 2 5 6b 是一顆氣態(tài)巨行星，體積比木星要大得多，沙塵暴席卷于其云層之上，伴隨著火焰一般的高溫和細(xì)膩的硅酸鹽塵埃，讓這顆行星呈現(xiàn)出紅色的外觀。這樣的沙塵暴在宇宙中并不少見(jiàn)。盡管它們不是巖質(zhì)行星，但這些觀測(cè)結(jié)果讓我們向著尋找“系外厄拉科斯”前進(jìn)了一大步。

“沙丘”世界似乎比小說(shuō)依據(jù)的地球行星樣本更為常見(jiàn)，然而只是觀測(cè)到沙塵暴的存在并不能幫我們確認(rèn)這些行星上是否真的存在生命。不過(guò)，行星大氣中的其他成分卻不乏研究?jī)r(jià)值。

研究人員對(duì)利用詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡尋找工業(yè)文明對(duì)大氣層造成的影響的可能性進(jìn)行了探討。這些影響包括氟氯烴類(lèi)衍生物對(duì)臭氧層的破壞以及二氧化氮的富集程度，這些信息可能出現(xiàn)在行星的大氣光譜之中。它們具有明確的人工特征，因此可以作為文明存在的標(biāo)識(shí)來(lái)進(jìn)行探測(cè)。

值得一提的是，這些工業(yè)污染全部都真實(shí)存在于地球大氣之中，成為人類(lèi)文明的印記。正因此，也許人類(lèi)文明早已暴露在一些觀測(cè)能力更為強(qiáng)大的文明眼中，但我們并不能斷定這種信息是否會(huì)真的為人類(lèi)帶來(lái)災(zāi)禍，就如《三體》中描繪的那樣。

在這部6 0年前的科幻作品中，赫伯特運(yùn)用其杰出的想象力和縝密的邏輯為我們構(gòu)建了一個(gè)頗為驚人的沙丘世界。《沙丘》不僅影響了一代又一代科幻愛(ài)好者，它也如同一個(gè)行星科學(xué)探索的縮影——部分真實(shí)，部分虛構(gòu)。

而那些天馬行空的幻想，我們還不能確定它們是否會(huì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

貓貓星云

一群充滿(mǎn)好奇心和熱愛(ài)搞怪的科學(xué)愛(ài)好者組成的科普創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)。主要成員：貓又，天體物理學(xué)博士，畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，研究方向?yàn)樾窍敌纬膳c演化；諾諾，國(guó)家天文臺(tái)天體物理學(xué)碩士，目前于荷蘭萊頓大學(xué)攻讀天文科學(xué)傳播學(xué)位。