住在銀河系讓你增壽1小時，逃出銀河系讓你長生永不死 | 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
長生不死，自古皆求
時光易逝，最是人間留不住。從古至今，浪漫的中國人向來不乏對時間的詠嘆，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，時節(jié)如流”的無可奈何。如何踩住時光的尾巴，摁下歲月的暫停鍵？這不僅僅是帝王霸主才會做的長生美夢，也是每個人都會好奇并關(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?！焙笕艘卜Q這個故事為“王質(zhì)爛柯”，大意講了一個名為王質(zhì)的砍柴人，機(jī)緣巧合下誤入某個石洞，觀了場棋局，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“洞中方一日，世上已千年”的故事更傾向于一個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，敏銳地洞悉了時空的真相，提出了革命性的廣義相對論。根據(jù)廣義相對論的預(yù)言，質(zhì)量導(dǎo)致時空彎曲，因此，引力勢阱中的時間流逝得更為緩慢。
圖1：質(zhì)量與時空彎曲，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：額外的1小時
根據(jù)廣義相對論，質(zhì)量越大，時空彎曲程度則越大（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，時間拉伸地也更長久。所以，理論上講“長生”并非虛妄，前提是我們能夠陷入一個足夠深的引力勢阱中。
從這個層面上講，我們已經(jīng)足夠幸運(yùn)。我們所生活的銀河系，恰恰是一個還算可觀的引力勢阱，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間，訣竅就是追蹤那些高速轉(zhuǎn)動并試圖逃離出銀河系的恒星，來計(jì)算銀河系的勢阱深度。
據(jù)觀測，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。綜合這些恒星的動能，我們就可以粗略預(yù)估出銀河系的引力勢，進(jìn)而推算出，銀河系的引力勢阱將導(dǎo)致我們的時間膨脹（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)境為我們爭取到額外的（約）1個小時壽命，來思考宇宙。
逃離銀河系的“永生”法門
銀河系的饋贈不止如此。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設(shè)備，未來應(yīng)該能夠找到數(shù)以百計(jì)的“相對論性”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答案。1988年，天體物理學(xué)家J. G. Hills通過理論預(yù)言了一對密近雙星系統(tǒng)靠近銀河系中心時“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，這對密近雙星將被強(qiáng)行分開，各自面對迥異的未來。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，這將會是一場多么驚心動魄的太空之旅。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。這場前無古人后無來者的星際穿越套餐，同時也將是一次延年益壽的長生之行。這樣一場接近光速的旅行，其時間膨脹效應(yīng)，將足以延緩所有相對論旅行者的自然衰老過程，為親歷者爭得一副長生之軀。
天外來客與溝通困境
即便當(dāng)下我們不能親歷這場相當(dāng)劃算的（近）光速之旅，也應(yīng)該將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)銀河系中心，尤其是人馬座A*，在那里，一個超大質(zhì)量黑洞也許正彎弓拉箭蓄勢待發(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，穿越漫長的時空，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，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)一個太陽系外的來客——小行星奧陌陌（Oumuamua）。這個遠(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)該是一個雪茄狀（表面）顏色偏紅的固態(tài)天體，長約數(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）穿越了整個太陽系，雖然近日點(diǎn)只有（約）四分之一個日地距離，卻沒有拖拽出一條長長的彗尾?；蛟S原因在于，它是一份來自其它文明的薄薄傳單。不過，這樣一個天外來客，太陽系自不會是它的終點(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，如何與之交流將是一個更為艱巨的任務(wù)。畢竟即使共處同一個星球，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，了解外星人到訪動機(jī)?？杀趬緹o處不在，國與國間的猜忌與誤會，隱晦復(fù)雜的外星符號，大戰(zhàn)一觸即發(fā)，世界動蕩不安。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心懷大愛的美國英雄（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空之旅，因信息缺失、交流不暢所引發(fā)的沖突與對抗，其帶來的生存風(fēng)險當(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)?？颂K魯伯小行星撞擊北半球時，一個時代至此終結(jié)。所以，了解我們的同類，了解太陽系、銀河系，乃至了解整個宇宙，才是人類能夠延續(xù)長久的關(guān)鍵。
銀河系長生指南最終篇：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，哈佛大學(xué)天文學(xué)系前任系主任。他同時是 Breakthrough Starshot 項(xiàng)目的顧問委員會主席，也是美國總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)顧問委員會的前成員，并擔(dān)任了美國國家科學(xué)院物理和天文學(xué)委員會的前任主席。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
