Ami: "We may be in different worlds, but we share the same moon and stars."
Tuesday, May 30, 2023
Saturday, September 24, 2022
【星行者】背景知識 - I 太陽系
太陽系,我們的母星系,其大致產生於46億年前的一個星雲的引力坍縮,最終整個星系超過99%的質量都集中在太陽本身,這就是我們的恆星 - 太陽,其剩下的其他物質,則隨著星系的演進陸續形成了各個大小8個行星和行星帶,而這些行星帶,就是【星行者】的主角們進行星際探索的目的地。
對太陽本身來說,由於巨大的質量產生的引力,在太陽的核心,大量的質子(氫原子核)融合成氦原子核,並釋放出高能的x/γ射線,這些高能射線從太陽中心出發,經過上萬年乃至最長達5千萬年之後才能到達太陽表面,並在此過程中被轉換成了可見光和射線的結合體,然後逃逸進入太空,從某種意義上來說,整個太陽系的能量的來源就是來自於太陽的核聚變。
由此不得不說到 “核聚變引擎” 這個詞,在文中反覆出現,這種引擎其實也是採用類似太陽核聚變這樣的技術,而基於這樣的技術水平,整個小說的世界背景便始於此,在那個時代,人類已經開始進行整個太陽系內的探索並由此為能源在多處建造了各種衛星城。
那麼文中提到的各種行星和行星帶,又是什麼樣的呢,木星,土星離我們多遠?小行星帶在哪裡?柯伊柏帶又在哪裡?為什麼Ami和Alcon的任務,動輒就需要幾年?下來就來一一解說。
首先是這張距離比例圖:
- 1.5E8km – 代表 1.5億公里,這是地球到太陽的距離,採用標準計量單位km
- AU - Astronomical Unit 代表“天文單位”,就是一個地球到太陽的距離,即上述的1.5億公里
上面說明了各個行星和行星帶的距離,下面再說說行星的大小比例,為了展示距離,上述行星的大小並不是按照比例顯示,如果要按照星體的大小比例來顯示,則看起來是這樣的:
從太陽開始,小小的那幾個太陽系內環岩質行星分別是水星(Mercury),金星(Venus),地球(Earth),火星(Mars),看起來,地球真的小的可憐啊,在文中,地球有時候被稱之為 “母星”,這個小小的藍色行星就是我們在宇宙中的家。
文中,在太陽系內環,人類建立了大量的太空城,這樣的太空城基本集中在地-火軌道之間,這個距離到太陽的距離適中,但是可以拿來建造太空城的材料不多,所以家門口的小行星帶就成為了可以提供材料的一個理想場所,這就是整個星際勘探的需求來源。同時,雖然太陽系外環的行星都很巨大,可是他們都是氣態行星,我們人類無法立足,而且太陽系外環的星體遭受小行星和彗星撞擊的可能性都比較大,即便是他們的衛星也不是理想的居住地點。
那麼,衛星城的建立需要的材料可以來自小行星,是否隨便抓到一個都可以用?也不是,按照人類的科技線路,金屬材料憑藉著優異的延展性和可塑性,是最佳的工程材料(或許未來的碳基結構的複合材料也是?可以儘管想像一下)。那麼這種金屬材料可以從小行星帶獲得麼?--- 答案是:可以。
目前太陽系內的小行星按照光譜分析的結果大致有幾種(數量少的就不說了,主要是這3類)
- C-型小行星:占所有小行星的75%,數量最多,基本是碳元素。
- S-型小行星:占所有小行星的17%,主要成分包括鐵、鎂和矽。
- M-型小行星:剩下的小行星中大多數屬於這一類,鎳,鐵成分居多,一般說法是以前行星的金屬核的殘片或者殘留。
文中也提出,C/S類別的小行星的改造技術還在研究中,而最常用的就是M型小行星,這也是Ami和Alcon等飛行員勘探尋找的目標,而在他們識別安裝了追蹤裝置之後,這種小行星就成為他們所在公司的資產,勘探飛船負責勘探和標識,然後會有牽引飛船(類似我們的拖船)來把行星拖到目的地進行開採和改造。
相對於“家門口”的小行星帶,柯伊柏帶(Kuiper Belt)就是一個位於海王星軌道之外遙遠的小行星帶,而且有些行星的塊頭還不小,比如被降級的冥王星,它就是柯伊柏帶的一個矮行星,文中也提及,因為距離非常遙遠並且範圍巨大,勘探成本也高很多,危險也無處不在,如果從經濟利益上來說,回報率並不高,所以在這個區域進行的勘探的性質其實更像圈地運動。而Alcon,應該就是第一批進入柯伊柏帶勘探的飛行員,在文中,他們被稱之為 “ 拿到KU-2認證 ” 或者 “KU-2級別” 的飛行員。
在這裡,先放一個位於火星和木星之間的小行星帶的黃道面俯視圖,你會發現,這些小行星的佈局好像有些規律?是的,整個太陽系的行星之間的引力相互作用會產生很多有趣的效應,在下一篇文章中,我會來說說太陽系中的各個行星和行星間的行星力學導致的一些有趣現象:
Friday, September 23, 2022
【星行者】 背景知識 - II 拉格朗日點
天體力學中有一個很重要的力學解,就是 “拉格朗日點”, 維基百科的解釋是:拉格朗日點(Lagrangian point)又稱平動點(libration points)在天體力學中是限制性三體問題的五個特殊解(particular solution)。
簡單點說,就是當2個巨大的天體進行軌道運動的時候,會產生另外5個平衡點,實現其他小天體在這個平衡點或者基於這個平衡點實現動力學上的平衡,很多回答說這個是“三體” 的解,但是其實不算,三體中3個星球的質量類似,而在拉格朗日點的概念中,重點是“2個巨大的天體,和一個/一堆可以認為不影響引力環境的小天體” 形成的平衡,這裡特別說明第三個必須是 “足夠小” 。
拉格朗日點的簡化圖示就是如下的樣子,兩個巨大的天體形成的引力和動力環境中,有數字標識的1-5總共5個平動點,我們一般稱之為L1,L2,L3,L4,L5,對應下圖的1~5,在這5個點上的小星體可以比較“舒服”的呆著或者圍繞著對應的點運動。
行星 | 水星 | 金星 | 地球 | 火星 | 木星 | 土星 | 天王星 | 海王星 | 冥王星 |
質量(1024kg) | 0.330 | 4.87 | 5.97 | 0.642 | 1898 | 568 | 86.8 | 102 | 0.0130 |
Thursday, September 22, 2022
【星行者】背景知識 - III 軌道共振&引力彈弓
軌道共振在維基百科上的定義:
轨道共振是天体力学中的一种效应与现象,指当轨道上的天体于周期上有简单(小数值)的整数比时,定期施加的引力影响到对方所产生的。其物理原理在概念上类似于推动儿童荡的秋千,轨道和摆动的秋千之间有着一个自然频率,其它机制和“推”所做的动作周期性地重复施加,产生累积性的影响。轨道共振大大增加了相互之间引力影响的机构,即它们能够改变或限制对方的轨道。
再類比回秋千的例子,最後的結果要麼是秋千的節奏被打破,共振消失,要麼就是進入一種穩定的共振狀態,換到天體力學上來說,就變成相互的軌道之間,要麼完美的進入一種協振穩定的狀態,或者其中一方的軌道被摧毀,而發生在小行星 身上的更多是第二種情況,即軌道被摧毀,被大的星體彈出去了,或者被稱為“清空”。
在小說中,Alcon在第一次前往柯伊柏帶的旅程中,需要穿越小行星帶,這裡面出現了一個詞 “柯克伍德空隙( Kirkwood gap)”:
== #章節引用 “#Alcon自述12”# =====
對於上次最高速度15 萬公里每小時的我們,進入小行星帶依然覺得無比空曠,但是這次我們更換了引擎之後時速最高可達70萬公里,在這樣的動力條件下繼續保持最高速度穿越就不是明智的選擇,因此Mars只有在小行星主帶和木星軌道共振形成的 柯克伍德空隙內( Kirkwood gap)會盡量加速,但是離開柯克伍德空隙進入充滿密集星體的軌道的時候就必須減速
== # 章節引用結束# =====
看一下下面的小行星主帶的行星軌道分佈圖,橫坐標為共振係數,縱座標為小行星數量,就可以發現,這些位於虛線標識的整數比例的共振帶上的小行星的軌道基本上都被摧毀了,導致形成了這些位置都是空白,這就是柯克伍德空隙的由來:
上面說的是小行星的軌道被共振摧毀,包括一些星環塵埃也適用這樣的規則,比如土星環間形成的間隙,這些都是軌道被清空的例子。
而對於一些不小的天體,形成穩定的共振也是一種情況,比如木星的3個衛星(艾奥-欧罗巴-佳利美德)完美的形成各自穩定的軌道,如下面的動圖所示,這種共振又被稱之為 “拉普拉斯共振”:
引力共振既然是大的行星的引力對鄰近軌道上的其他小天體產生了牽拉,那麼這種引力也會對飛越附近的探測器和飛船產生影響吧?那麼我們是否可以加以利用呢?答案是肯定的,這就是“引力彈弓(重力助推)”的由來。
小說的 “ Alcon自述#12 ” 專門說到了用土星進行引力彈弓加速前往柯伊柏帶,以及在回程的時候(Alcon自述#14),利用木星進行引力彈弓減速前往伽利略一號衛星城,這裡面分別描述到了加速和減速兩個場景,文字的描述可能不如動圖來的清楚,可以看這兩個動畫:
這個動圖是利用引力彈弓加速的示意,灰色球體為用來產生彈弓效應的天體,小藍點為人類飛行器,座標軸為時間和速度的關係:
在加速過程中,加速最大效率是在速度拱點的時候進行動力加速脫離,這種效應又被稱為“奥伯特效应” ,Alcon的描述是這樣的:
== #章節引用 “#Alcon自述12”# =====
我把戴著手環的手放在窗前,Mars放起了一段應景的環境音樂,不知過了多久,隨著船體的顫動,Mars加大了引擎推力,我們已經進入引力彈弓的脫離航線了,再見,土星,父親母親,我們繼續前行,我帶你們去飛越星辰...
== # 章節引用結束# =====
這個動圖則是利用引力彈弓減速的示意:
小說中的星際勘探,用到彈弓效應(重力助推)的場景比較多,這也是星際航行中常見的加減速手段之一,也可以減少大量的燃料使用,所以DSF幾乎是立刻同意了Alcon和Mars的請求:
== #章節引用 “#Alcon自述14”# =====
因為引力彈弓減速節省的推進工質可以為公司省錢,而且所需要的額外時間佔用的是我的休假時間, DSF控制中心幾乎是秒回同意了,Mars一邊給我顯示著DSF的操作許可,一邊在顯示終端上給我打了一個鬼臉並補充:“這是我學會的雙贏博弈。 ”
== # 章節引用結束# =====
Wednesday, September 21, 2022
【星行者】背景知識 - IV 其他名詞解釋
潮汐锁定
==# Alcon自述 -18 #==
我望著木星懸掛在天空,一部分被太陽照亮著像一輪巨大的彎月,而且是色彩豐富變幻的彎月,由於潮汐鎖定,這個溫室所在的位置看到的木星始終是固定在這個位置,只是太陽照著木星的角度形成的木星表面的陰影和亮面隨著時間持續變幻著,我把父母親的手環摘下來換到右手,然後繼續把右手放在Ami 背後摟緊她。
== # 章節引用結束# ==
維基百科上的定義是:潮汐鎖定(或同步自轉、受俘自轉)發生在重力梯度使天體永遠以同一面對著另一個天體;例如,月球永遠以同一面朝向著地球。
潮汐鎖定的天體繞自身的軸旋轉一圈要花上繞著同伴公轉一圈相同的時間。這種同步自轉導致一個半球固定不變的朝向夥伴。通常,在給定的任何時間裡,只有衛星會被所環繞的更大天體潮汐鎖定,但是如果兩個天體的物理性質和質量的差異都不大時,各自都會被對方潮汐鎖定,這種情況就像冥王星與凱倫。
這裡面的“重力梯度”又稱為潮汐力,也就是引力相互引起的一些形變,對地球來說比較明顯的就是海水被拉高了形成潮汐,其實地球的地面也被拉起來了只是感覺不明顯,而對於月球來說就會比較明顯導致月球被鎖定一面始終朝著地球,木星的歐羅巴也是處於這種情況,永遠以同一面面對著木星,而且因為歐羅巴內部受潮汐加熱效應,可能會表現為相對溫暖的地表下的海洋,所以故事中也有Alcon和Ami潛入歐羅巴的海洋去遊玩的描述。
曲率引擎
==# Alcon自述 -8 #==
這套著名的引力波探測系統 (LISA) 已經運行並持續觀測了30多年後退役了,目前正在研究的曲率推動就是基於理論和這套系統的觀測結果,而可用的曲率引擎根據預測還需要十幾年才會出現。
== # 章節引用結束# ==
引力/重力波探測器 - LISA 和 烽火 I / II
==# Alcon自述 -8 #==
取代LISA的是更龐大更精確的的採用的日心軌道的2套等邊三角形引力擾動探測系統,而這兩套等邊三角形的系統也組成一個巨大的六邊形系統陣列,這套巨大的日心系統被命名為“ 烽火I“ 和 “烽火II" ,除了引力擾動探測,也用於目前的太陽系內外各個飛船,衛星城和母星之間的資訊中繼。
== # 章節引用結束# ==
重力波/引力波和曲率引擎始終是在一起的話題,先說引力波的探測,這個探測器的原理類似於最早的邁克爾遜.莫雷 實驗,就是讓一束光經過分光器之後分別往兩個方向前進,然後被反射回來進行干涉,如果這兩個方向的距離沒有形變,那麼干涉結果就是相互抵銷,而一旦一個方向上的長度發生了變化(也就是空間被扭曲了),就會形成相位差,在偵測器上產生干涉,因此感應到重力波。
邁克爾遜.莫雷實驗圖示:
前幾年人類探測到引力波曾經引發了一大波熱潮,這背後所用的設備就是 雷射干涉引力波天文台(英語:Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,縮寫:LIGO)是探測引力波的一個大規模物理實驗和天文觀測台,其在美國華盛頓州的漢福德與路易斯安那州的利文斯頓,分別建有雷射干涉儀。利用兩個幾乎完全相同的干涉儀共同進行篩檢,可以大幅度減少誤判假引力波的可能性。[1]干涉儀的靈敏度極高,即使臂長為4千米的干涉臂的長度發生任何變化小至質子的電荷直徑的萬分之一,都能夠被精確地察覺。
而激光干涉太空天線(Laser Interferometer Space Antenna,LISA)是一個由美國太空總署(NASA)和歐洲太空總署(ESA)合作的重力波探測計劃,由於募款問題,美國太空總署於2011年宣佈終止合作關係。歐洲太空總署因此修改任務概念,於2013年宣佈改名為演化激光干涉太空天線(Evolved Laser Interferometer Space Antenna,eLISA),其實原理和LIGO差不多,就是變成一個跟著地球走的超大等邊三角形空間探測器,每個三角形的邊長是 5百萬公里:
LISA系統圖示:
LISA這套系統預計是在2030年之後才會投入使用,小說中說這套系統已經退役了,取而代之的是另外2套更巨大的環繞太陽的系統,其實就是2個等邊三角形的系統,形成一個六邊形的系統,而那時候的星際勘探很多飛行器會廣泛分佈在整個太陽系內,必然會有一部分和地球之間會被太陽隔開,那麼這個系統既是引力波探測器又用於太陽系內通訊中繼,類似中國長城上的烽火傳訊,因此被命名為 烽火 I / II 兩套系統。
而由引力波衍生出來的曲率推進技術,類似於人工在空間中建立彎曲或者落差,進而推動物體前進,但是本身這個技術在目前還是處於理論階段,在小說中也說明了即使在核聚變已經成熟的時代,也只是抵達了能夠造成空間微小形變的能力,更多像是一種實驗性質的成果,在那時候還需要幾十年後才會出現成熟的曲率推進技術。
核聚變約束/工質推進
==# Alcon自述 -13 #==
對於3137這種需要執行勘探任務的飛船,需要頻繁改變航線和加減速甚至啟停,無法採用這兩種代表未來的技術,只能使用初步實用化的可控核聚變和已經非常成熟的工質推進技術,而外太陽系的氣態巨行星基本上是氫氣和氦氣為主構成,則成為絕佳的聚變引擎的材料和推進工質來源,木星和天王星的補給站便應運而生。
== # 章節引用結束# ==
核聚變其實不是什麼新概念,太陽本身就是一個巨大的核聚變工廠,而人類在引爆氫彈的那一刻已經宣告可以“造成核聚變”,但是,這個和“可控核聚變” 還離的很遠,要拿來做核聚變引擎,“可控”是關鍵,目前比較可實現的技術是慣性約束和磁性約束,但是也只是能實現幾秒或者幾十秒的可控時間,最近的新聞是可以維持超過1000秒了,這也是未來的能源發展方向。
那麼對於核聚變引擎,在太空中作為飛行器的動力,一般比較常見的思路是採用核聚變產生的等離子體進行推進,但是小說中提及,勘探飛船需要大量的機動飛行動作,所以,等離子體雖然溫度高速度快但是相對推力還是小了點,對於需要大量機動的飛行器,採用核聚變來把能量轉移到傳統推進工質並噴出的效果可能會遠超等離子體,所以文中大部分的描述都是說在 “補充工質” 而不是“補充燃料”,雖然核聚變也需要原料,但是比起推進工質的量還是少的多得多。
彗星週期
==# Alcon自述 -31 #==
在這裡,我又見到了另一顆不知名的彗星,Mars計算出它的公轉週期如果按照這個角度和速度,大概是1萬2千年,它的彗尾還沒那麼明顯,隨著它離開柯伊伯帶深入太陽系核心,物質迅速揮發拉長彗尾,會在沿途拉出一道長長的光芒, 在母星上的人類或許會讚美它的美麗,而它的生命也會迅速消退,對它來說,縱然有著1萬2千年的週期,可是它可能連一次完整的生命都沒有走完就已經消失殆盡...
==# Alcon自述-13- #==
Mars提醒我不久以後可以看到 斯威夫特-塔特爾彗星(109P/Swift-Tuttle),這是一顆周期大約133年的彗星,而且幾千年後可能會非常接近甚至撞擊地球或者月球,因為距離比較遠而且可以位於在 3137前方,Mars建議不停止離心力以節省工質,直接觀測即可
== # 章節引用結束# ==
截至2014年末,太陽系內擁有永久編號的週期彗星共有314顆。但是對於未編號的彗星,其實我們的紀錄比較零散,彗星的軌道週期範圍也很大,可以從幾年到幾百萬年。短週期彗星來自超越至海王星軌道之外的柯伊柏帶。長週期彗星被認為起源於奧爾特雲,主要由冰凍天體構成的球殼。長週期彗星受到路過恆星和銀河潮汐的重力攝動而直接朝向太陽前進。雙曲線軌道的彗星可能在進入內太陽系之前曾經被沿着雙曲線軌跡被拋射至星際空間,則只會穿越太陽系一次。所以,有些彗星,即使有這所謂的理論週期,但是在路上就被太陽蒸發殆盡是常有的事情。
109P/Swift-Tuttle 這個彗星有興趣的讀者可以查詢一下,幾個測算顯示:
2126年會在離地球大概0.153AU的地方掠過
2261年會在離地球大概0.147AU的地方掠過
3044年會在離地球大概0.011AU的地方“掠過”(或許這時候就會撞上了)
卡西尼-惠更斯號(Cassini–Huygens)土星探測計劃
==# Alcon自述 - 12 #==
“經過20年的探測任務,惠更斯號最終長眠於土衛六,而卡西尼號則按計劃沖入土星大氣完成最後的觀測和自我銷毀任務, 地球時間2017年9月15日,卡西尼劃過映襯著巨大的土星環的土星天空,一路燃燒殆盡”
== # 章節引用結束# ==
卡西尼-惠更斯號(英語:Cassini–Huygens)是前往土星系統的一架旗艦級太空探測器,也是由美國國家航空暨太空總署(NASA)、歐洲太空總署(ESA)和義大利太空總署(ASI)合作進行的任務。
整個任務分為兩部分:環繞土星的卡西尼號(Cassini)與在土星最大衛星土衛六登陸的惠更斯號(Huygens)。兩具探測器由泰坦四號B型運載火箭搭載,於1997年10月15日一同發射升空,並於2004年7月初抵達土星軌道,隨後在同年12月25日分離。惠更斯號於2005年1月14日成功於土衛六的阿迪立地區著陸並傳回數據,是首具在外太陽系天體完成登陸的探測器。
而卡西尼號自入軌後持續運作超過13年,直到2017年9月15日按照指令操作進入土星大氣層焚毀。
卡西尼號墜入土星大氣層的模擬視頻,總長3:55,從2:45開始講述最後的進入,任務至此終結:
Thursday, September 8, 2022
星行者(Star Rider)
現在城市的天空還能看見星星嗎?可否想過你的想像力也可以飛躍星辰?慢慢朝著太陽系外圍飛去,先是火星,然後是繁忙的小行星帶,緊接著是閃亮的木星,以及帶著環的土星,再往外,是天王星,天王星之外,是深藍色的海王星,然後就是柯伊伯帶,再往外,是需要用至少2萬年才能穿越的奧爾特星雲...
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