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，這一時間甚至比環(huán)境學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎得主真鍋淑郎發(fā)表其里程碑級的第一個氣候模型還要早了兩年。雖然赫伯特時代沒有超級計算機，但是他還是以超凡的想象力和靈感，構(gòu)建出了一個極度真實的異星世界，在6 0年之后的我們看來，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" 沙丘" 世界中的厄拉科斯星球的行星氣候研究，可以通過構(gòu)建一個合理的氣候模型——只不過模擬的尺度達到了行星尺寸——便可以對這顆想象中的行星上可能出現(xiàn)的各種氣候狀況進行模擬。這一工作此前已由英國布里斯托大學(xué)的研究團隊完成。

在《沙丘》的設(shè)定中，厄拉科斯是一顆沙漠行星，幾乎沒有降水，而且時常發(fā)生沙塵暴等極端天氣。這里的沙塵暴兇猛、強大，風(fēng)速高達每小時5 0 0千米，飛揚的沙塵可以將人類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”的幼體。

構(gòu)建厄拉科斯的仿真氣候模型并不是一件簡單的事情，小說中只向讀者展現(xiàn)了行星氣候的演變結(jié)果，但并未告知其中的細節(jié)。研究團隊保留了與地球相似的物理規(guī)律和大氣運動方式——這些設(shè)置對“沙丘宇宙”來說大體一致。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，類似于今天的地球軌道。這一參數(shù)的確會影響氣候，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，行星軌道橢率過大導(dǎo)致了漫長而不規(guī)律的冬季出現(xiàn)。

對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% 的氮氣和23% 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_始運行，構(gòu)建一個完整的厄拉科斯行星氣候模型以供研究。

非常有趣的是，盡管計算機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，因為這里的氣候相對宜居，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)，并且夏季的嚴酷高溫可以融化任何極地冰蓋，同時，冬季也幾乎不會有降雪來對其進行補充。

人類真的能在這樣的環(huán)境中生存嗎？答案很可能比較消極。書中人類主要聚居的中高緯度地區(qū)，月平均溫度可以達到五六十?dāng)z氏度，最高溫度可以達到7 0攝氏度以上，這樣的溫度對普通人類來說顯然是致命的。

《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服既能幫助人類保持身體涼爽，又可以回收因為排汗和呼吸而流失的水分。弗雷曼人發(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抗地表高溫，夜晚溫度降低時才進行大規(guī)模行動。這些設(shè)定的確非常符合沙漠中的生存之道，然而面對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都不是一件簡單的事情。

撒哈拉沙漠還是火星？“沙丘”到底在哪里

在赫伯特精巧而細致的設(shè)定中，厄拉科斯的原名Arrakis 來源于天龍座μ，也就是中國星表中的天棓增九。但在小說中，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，在世界各地神話中時常能見到其身影。同時，這顆恒星也被廣泛應(yīng)用于海上導(dǎo)航。然而時至今日，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代——那時，第一顆系外行星都尚未被發(fā)現(xiàn)。

“沙丘”世界中對于厄拉科斯的描寫，很大程度上是基于地球上的沙漠與火星探測的相關(guān)成果。赫伯特最初的確考慮將火星作為小說《沙丘》的背景，但考慮到對于火星的幻想作品在當(dāng)時已經(jīng)出現(xiàn)很多，讀者看到此或許會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，距離地球最近的這顆紅色行星——火星，的確是最接近書中所描寫的厄拉科斯的實際天體。

火星是太陽系由內(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、氮氣和氬氣組成，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于隕石、小行星等天體撞擊的保護，也無法維持比較穩(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?？?。正午時分，站在火星的赤道上，你的雙腳會感受到約2 4攝氏度的土壤的溫暖，你的頭頂卻會處于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?；鹦巧仙踔?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，這些鐵元素會在大氣中形成赤紅色的鐵氧化物塵埃。天空因為這些懸浮著的塵埃呈現(xiàn)出朦朧的紅色，太陽也因為大氣折射呈現(xiàn)出詭異的藍色光芒。

稀薄的大氣使得氣體對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。每個火星年都可能發(fā)生超過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——這些細節(jié)在《沙丘》中被“還原”得很詳細?；鹦巧系娜蛐詨m暴大約每3個火星年發(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鏡觀測到。

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?；鹦巧线€布滿眾多溝壑峽谷，一些研究結(jié)果顯示，火星地表在過去可能存在過液態(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。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居住：具有厚實的大氣層、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。

一些理論認為，是引力和行星磁場的匱乏，讓火星大氣在太陽風(fēng)的影響下逐漸泄漏到宇宙空間中；還有一種假說認為，是一顆小天體的猛烈撞擊將大氣從火星的表面剝離。不管是怎樣的一場災(zāi)難，都讓火星失去了絕大部分大氣；缺少大氣的保護，又讓地表的液態(tài)水逐漸消失，最終火星從一座溫暖濕潤的樂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。事實上，地下的液態(tài)水庫在太陽系中并不罕見。木衛(wèi)二（Europa）的地表之下一直被認為存在一片海洋，哈勃空間望遠鏡甚至拍攝到過從這顆衛(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”號探測器還在土衛(wèi)二上觀測到了壯觀的極地噴流，并從噴射物中檢測到了多種有機分子。不僅如此，土衛(wèi)六其實也像厄拉科斯一般，整顆行星都被橙紅色的霧靄所覆蓋，但是它們并非沙塵，而是由含氮有機分子分解形成的多種化合物。2 0 2 4年，美國國家航空航天局最終批準(zhǔn)了目標(biāo)土衛(wèi)六的“蜻蜓”號太空任務(wù)，預(yù)計于2 0 2 8年發(fā)射“蜻蜓”號旋翼飛機，并于2 0 3 4年抵達，以對這顆可能蘊含著生命形成關(guān)鍵信息的土星衛(wèi)星進行更為詳盡的探測。

“沙丘”之后：系外行星探測30年

1 9 2 0年，赫伯特出生之際，恰好時值“世紀大爭辯”：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宇宙”這一問題上。直到1 9 2 4年埃德溫·哈勃完成了對仙女星系中星系團的距離測算后，才終于證明了銀河系不過是茫茫宇宙中無數(shù)星系的一分子，而太陽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單的事情，不管是月球、火星還是金星，都曾一度被人們認為有生命甚至文明存在，然而更為細致入微的觀測結(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系之外。2 0世紀中期，隨著天體測量學(xué)的發(fā)展完善，以及觀測設(shè)備精度的日益提高，對于恒星光度、位置和軌道的測量已經(jīng)相當(dāng)精確，隨著新一代空間望遠鏡的出現(xiàn)，這一精度已經(jīng)達到千分之一角秒的量級。

對恒星性質(zhì)的精細測量使得行星對恒星產(chǎn)生的細微影響可以被觀測到。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·弗雷在對室女座脈沖星PSR 1 2 5 7+1 2進行觀測時，成功發(fā)現(xiàn)了兩顆行星，它們也是人類歷史上首次發(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，勢必是一件極為困難的事情。

第一顆圍繞類太陽恒星公轉(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·奎洛茲通過監(jiān)測恒星軌道變化發(fā)現(xiàn)的飛馬座5 1b。這項發(fā)現(xiàn)意味著系外行星探索時代的開始，他們二人也因此獲得了2 0 1 9年的諾貝爾物理學(xué)獎。

受限于地基望遠鏡觀測能力，以及觀測時的環(huán)境因素，直到2 0 0 9年，人類發(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。確認了凌星法可行性的研究人員意識到，在大氣層外使用空間望遠鏡進行系外行星的探測也許勢在必行。

于是，2 0 0 9年，開普勒太空望遠鏡發(fā)射升空，系外行星搜尋也進入井噴時代。服役9年期間，開普勒空間望遠鏡對超過5 0萬顆恒星進行了光度檢測，以試圖依靠凌星法監(jiān)測系外行星的存在。這一設(shè)備一舉將人類已知的系外行星的數(shù)量提升至千顆量級，并且讓研究人員確定：宇宙中存在著大量的系外行星，并且，恒星周圍普遍有行星存在。

Tips：

除了依靠觀測行星引力對恒星產(chǎn)生影響的天體測量和視向速度法，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)生在行星運行至恒星前方時，行星會遮擋住其部分光線，使得恒星的亮度會經(jīng)歷短暫的下降之后回升至原來位置。這種亮度的變化是極為微弱的，直到21世紀，隨著對天體的測光精度的大幅度提升，研究人員才能用凌星法去觀測系外行星。2000年，美國田納西州立大學(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)的兩個工作團隊，分別利用凌星法獨立發(fā)現(xiàn)了系外行星HD 209458b——它同樣圍繞一顆類太陽恒星公轉(zhuǎn)。

為了對系外行星展開更大規(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，作為開普勒空間望遠鏡的繼任者來開展系外行星探測工作。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個行星系統(tǒng)中的系外行星被認證存在。

可是如此之多的系外行星之中，人類最為關(guān)注的問題——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。開普勒太空望遠鏡確認了至少5 4顆系外行星位于其宿主恒星的宜居帶內(nèi)。然而宜居帶是一個非常寬泛的概念，目前最主要的對其的概念限制，是恒星附近能夠使液態(tài)水存在的軌道區(qū)域。對太陽來說，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器來對這些行星進行細致入微的探測——詹姆斯·韋布空間望遠鏡恰好就是這件利器。

詹姆斯·韋布空間望遠鏡的主要科學(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，來直接觀測那些毗鄰恒星的系外行星。詹姆斯·韋布空間望遠鏡前所未有的靈敏度和光譜分辨率與此前的開普勒太空望遠鏡、凌星系外行星巡天衛(wèi)星相輔相成，可以為我們帶來這些宜居帶內(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，以至于這場沙塵暴看起來更像是一場“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。盡管它們不是巖質(zhì)行星，但這些觀測結(jié)果讓我們向著尋找“系外厄拉科斯”前進了一大步。

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

研究人員對利用詹姆斯·韋布空間望遠鏡尋找工業(yè)文明對大氣層造成的影響的可能性進行了探討。這些影響包括氟氯烴類衍生物對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)識來進行探測。

值得一提的是，這些工業(yè)污染全部都真實存在于地球大氣之中，成為人類文明的印記。正因此，也許人類文明早已暴露在一些觀測能力更為強大的文明眼中，但我們并不能斷定這種信息是否會真的為人類帶來災(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，赫伯特運用其杰出的想象力和縝密的邏輯為我們構(gòu)建了一個頗為驚人的沙丘世界。《沙丘》不僅影響了一代又一代科幻愛好者，它也如同一個行星科學(xué)探索的縮影——部分真實，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變?yōu)楝F(xiàn)實。

貓貓星云

一群充滿好奇心和熱愛搞怪的科學(xué)愛好者組成的科普創(chuàng)作團隊。主要成員：貓又，天體物理學(xué)博士，畢業(yè)于中國科學(xué)院國家天文臺，研究方向為星系形成與演化；諾諾，國家天文臺天體物理學(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。