太空旅行指南

围绕太阳运动的太空碎片还包括彗星，有些彗星也适合作为太空旅行的目的地。彗星主要由岩石和冰组成。在天文学中要注意一点：“冰”包括结冰的水、二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氨。

彗星的演化过程既有趣又与太空旅行相关。从太阳诞生的时候起，彗星便开始形成。在距离年轻的太阳很远的地方，寒冷的尘埃和气体粒子结合在一起，形成了很多体积越来越大的冰岩混合物，被称为彗核。

不同于我们已经讨论过的其他天体，大多数彗星的运行轨道并不贴近黄道面，而是位于远离太阳系行星的两个区域中。柯伊伯带（Kuiper belt）位于海王星轨道以外，由彗星和其他太空碎片组成，形状酷似一个甜甜圈，黄道面从中间把它片开。它的名字取自首次发现其存在的荷兰裔美国天文学家杰拉德·柯伊伯（Gerard Kuiper，1905—1973）。冥王星、妊神星和鸟神星都在柯伊伯带以内运动。这里的物质被认为是太阳系行星形成时残留的碎片。

另一个大型的彗星集群被称作奥尔特星云，它以首次提出其概念的荷兰天文学家简·奥尔特（Jan Oort，1900—1992）的名字命名。奥尔特星云位于柯伊伯带之外，是一个呈球形分布的彗星群。这些彗星被认为是在行星（尤其是木星）引力的作用下从内太阳系^[12]喷射出来的太空碎片。图1.4给出了柯伊伯带和奥尔特星云的位置。

在太阳系46亿年的生命里，大多数彗核都留在海王星轨道以外。然而，这些脏兮兮的太空冰山有时也会被推搡或拖拽到内太阳系里面。当彗星与太阳的距离缩短到差不多等于海王星轨道半径的时候，太阳源源不断的热量和粒子把彗核的部分冰体汽化，从而在彗核的周围形成非常稀薄的大气层，即彗发（comas），比地球大气层要稀薄得多。彗核的质量太小，所以彗发散入太空中，不再回来。

只有当彗核进入太阳系行星区域里面的时候才会出现彗尾。随着气体逃逸的还有尘埃颗粒和冰体释放出来的小石子。当彗星离太阳足够近时，太阳光和太阳粒子将彗星的部分气体和碎片吹走，从而形成两个彗尾：一个尘埃尾和一个气体尾（图1.5）。气体尾轻飘飘的，被直接吹向背阳的方向。尘埃没那么容易被吹走，所以尘埃尾的指向在气体尾与彗星来的方向之间。

彗星的命运各不相同。有些彗星从遥远的星云进入太阳系，直接跌落到太阳上汽化。更多彗星在近日点错过太阳，幸存了下来。这些幸存的彗星又分成两类。长周期彗星经过近日点后折返，奔向太阳系行星以外的空间，至少200年后才会回来。事实上，有些来自奥尔特星云的彗星，它们的运行周期竟然超过3万年！短周期彗星在经过附近的行星时，受行星引力的影响改变了运行轨道，最后留在了太阳系内部。这类彗星每200年或者不到200年就会到达近日点。例如，哈雷彗星（Halley’s comet）沿轨道运行一周的时间是76年，最远不过才到海王星而已。

彗发和彗尾脱离彗星之后永不再回来，所以很显然，彗星每接近太阳一次都会变小一圈。虽然有些彗星的岩层和尘埃碎片能够阻止自身的耗散，但大多数彗星最终都会解体，在曾经的运行轨道上留下一个个岩石碎片。在太空旅行的途中，我们必须避开这些碎片，因为它们可能会撞上航天器。尽管如此，彗星旅行仍然是切实可行的。2014年11月12日，欧洲航天局的“菲莱号”（Philae）登陆器在67P/楚留莫夫–格拉希门克（67P/Churyumov-Gerasimenko）彗星上着陆（见图1.6）。当时，登陆器触地反弹之后，很明显掉进了沟里，得不到足够的阳光给电池充电，无法正常工作。2015年6月，这颗彗星到达近日点，温度回升，登陆器才苏醒过来，然后将这颗彗星的信息发回了地球。

巧合得很，彗星往往看起来就像照片上的污点（胶片或数码相机）^[13]。彗星一般以发现者的名字命名，比如上一段提到的那颗彗星，它的名字便取自两位天文学家。一位是斯威特拉娜·伊万诺娃格·格拉希门克（Svetlana Ivanovna Gerasimenko），1969年，她在哈萨卡（今哈萨克斯坦）东南部的一座天文台拍下了含有这颗彗星的照片。另一位天文学家克里木·伊万诺维奇·楚留莫夫（Klim Ivanovych Churyumov）在这张照片的底片上发现了它。名字中的“67P”表示这是已发现的第67颗短周期彗星。

除了小行星和彗星，还有三颗卫星可以作为太空旅行的目的地：我们的月球^[14]以及火星的两颗卫星。我们很快就会谈到。

我们已经对太阳系进行了概览，所以你很容易明白，为什么在未来很长一段时间里，人类的太空旅行将局限在宇宙的这片区域。已知距离太阳系最近的恒星是比邻星（Proxima Centauri），它距离我们4.0×10¹³千米^[15]。它离地球实在太远，常规航天器即便以大约6.4万千米的时速飞行，也要7万多年才能到达。就载人飞行而言，就算是飞出火星轨道，或是飞到地球轨道以内的金星或水星上，目前也还无法实现。要飞到小行星带的小行星或木星上也需要好几年的时间，而且后勤工作会相当复杂。人类可能永远也无法去金星，因为它被一圈富含硫酸的大气层包围，而且它的大气层如此之厚，以至于其表面大气压相当于地球水下915米的压力，足以把人压扁。要飞到水星这颗最靠近太阳的行星，我们需要掌握很多新技术，让航天器在接近太阳时不会过热，也不会被辐射破坏，而我们在短期内做不到。

综上所述，在不远的将来，我们的太空旅行可以有下列选择：

✦ 亚轨道飞行至太空，不进入绕地轨道，直接返回地球，整个飞行轨迹呈一个弧形。

✦ 绕地轨道飞行，到达国际空间站或在建的商业空间站。

✦ 月球。

✦ 经过地球的小行星或彗星。

✦ 地球的特洛伊小行星。

✦ 火星的卫星。

✦ 火星。

我们会在第2章对上述各种旅行展开说明。

太空旅行所需的时间有长有短，这主要取决于几个因素：去程和返程中地球与目的地之间的相对距离和相对速度；航天器的飞行速度；在目的地停留的时间。既然我们在近未来能完成的太空旅行局限在太阳系内部，那么让我们先来看看附近几个邻居与我们之间的距离吧。地球表面最远两点之间的距离大约是2.0×10⁴千米。地球与月球的平均距离不到

3.9×10⁵千米。之所以说“平均”，是因为从一个新月到下一个新月的周期中，地月距离会有大约4.2×10⁴千米的变动。地球与太阳的平均距离大约是150×10⁶千米^[16]。由于地球公转轨道是椭圆形的，所以地日距离在一年里会相差大约4.8×10⁶千米。

让我们来看看火星的情况。请记住，理论上说，火星旅行的相关结果同样适用于我们短期内能够访问的其他天体。由于地球和火星各自与太阳的距离相差很大，所以它们绕太阳运行一周所需的时间^[17]也有很大差别。它们有时候出现在太阳的同一侧，有时候则分居太阳的两侧。

地球与火星的最近距离大约是55×10⁶千米，而最远的距离居然达到400×10⁶千米。这样的话，飞到火星所需的时间取决于你出发时两者的相对位置，还有你的飞行速度（因为速度决定了你的路径）。从地球飞往火星或从火星返回地球通常需要5~10个月的时间。

要理解太空经历，还有两方面的科学知识至关重要。一是组成物质的粒子的性质。之所以要了解这个，是因为你要打交道的不仅是航天器内部的粒子，还有来自航天器外部、可能击中你的粒子。这些粒子组成的物质与你在地球上见到的可不一样。二是光和相关电磁辐射的性质。

之所以要了解这个，是因为身处太空的你会暴露在地球上通常不存在的各种辐射之下。很多辐射可能对你的身体有害，所以了解它们的性质和了解如何保护自己同等重要。让我们先谈谈物质。

我们需要了解原子的本质。原子是一种元素（比如碳、氢）的基本单位，由三种粒子组成，即质子、中子和电子。质子和中子结合成一个粒子团，即原子核，而质量小得多的电子围绕着原子核运动。请记住，电子不是一个实心粒子，而是以波的形式扩散在原子核周围的物质分布。

原子的质子数决定了它是哪种元素。在宇宙中，所有包含1个质子的原子都是氢原子，所有包含6个质子的原子都是碳原子。到目前为止，氢是宇宙里最常见的元素。原子的中子数决定了它有几种同位素。

氢有3种同位素：最常见的一种没有中子^[18]，携带1个中子的被称为氘，携带2个中子的被称为氚。这三种同位素都是氢元素。

接下来，让我们来了解原子的电属性。质子和电子带有相反的电荷，这使它们互相吸引，而一对质子会互相排斥。我们人为地规定质子带正电，电子带负电。毫无意外，中子不带电，它的作用是把质子束缚在原子核内。如果没有中子，质子之间的排斥力会使它们无法联结在一起，也就形不成氢以外的其他任何元素。有趣的是，要是没有质子，中子也不会存在。如果我们把一个中子从原子核里拿出去，15分钟后，那个中子就会自动分裂成一个质子和一个电子。

粒子通过自然界已知的四种基本力发生相互作用：电磁力、强相互作用力、弱相互作用力和万有引力。强相互作用力和弱相互作用力只在原子核内部起作用。强相互作用力将质子和中子束缚在一起，弱相互作用力用来解释某些原子核的不稳定状态。弱相互作用力会引起某些原子核自发地解体，我们把这个过程称为放射性。强相互作用力和弱相互作用力与本书的相关性不高，我就说到这里，但电磁力和万有引力的作用十分关键，所以下面让我们复习这两种基本力。