（Tisney 编译）人类开启航天时代以来，一直依靠由化学燃料驱动的火箭进入太空。这当然是一种有效的方法，但同时也存在着成本昂贵、消耗资源巨大的问题。在我们寻求更有效的进入太空的手段时，有人也提出了这样的问题：如果存在文明程度和人类相似的外星种族，他们也会依赖相似的方式进入太空吗？
无独有偶，在近期发表的两篇论文里，两位作者分别讨论了这样的问题。一篇论文的作者是美国哈佛大学教授亚伯拉罕‧勒布（Abraham Loeb），他关注了外星人从比邻星b发射火箭可能面临的困难。另一篇论文的作者是德国索内贝格天文台的独立研究员迈克尔‧希普克（Michael Hippke），讨论了生活在所谓“超级地球”上的外星人能否依靠与地球上一样的火箭来达到逃逸速度。

比邻星b，化学火箭很难逃离恒星系

比邻星b的艺术想象图。图片来源：ESO/M. Kornmesser

勒布教授在研究中指出，人类非常幸运，因为我们生活在一个非常适合进行航天发射的行星上。如果一枚火箭要从地球表面逃离并进入太空，而非环绕地球运行，它需要达到11.2千米/秒的逃逸速度。如果想从地球的位置出发逃离太阳引力的束缚，有能力进入星际空间，则逃逸速度需要达到大约42千米/秒。
发射火箭所需的化学燃料质量随着目标速度的增加呈指数型增长。幸运的是，地球轨道所处位置上逃离太阳所需的速度，恰好在化学燃料火箭可以达到的速度极限以内。而对于更加黯淡的恒星来说，由于宜居星球距离恒星更近，在恒星的引力势阱中陷得更深，化学火箭想要逃出去就将面临更大的挑战。
勒布教授在论文中指出，逃逸速度与恒星质量的平方根成正比，与行星到恒星距离的平方根成反比。考虑到宜居行星到恒星的距离与恒星质量有关，因此宜居带的逃逸速度实际上与恒星质量的1/4次方成反比。对于地球这样的行星，在太阳这样的黄矮星的宜居带内运行，逃逸速度倒还说得过去。
可惜，对于红矮星周围的宜居行星来说，这就不是个好消息了。质量更低的红矮星是宇宙中最常见的恒星，仅在银河系中，红矮星就占了所有恒星数量的75%。此外，近期对太阳系外行星的搜寻工作发现了大量岩石行星围绕红矮星运行的情况。一些科学家大胆地指出，在这些红矮星附近最有可能找到潜在可居住行星。

太阳系与比邻星系统行星轨道的对比图，右图中的绿色区域为比邻星系统的宜居带，其中的虚线为比邻星b的轨道。可以看出，比邻星b的轨道比水星围绕太阳的轨道还要小得多。图片来源：Pale Red Dot

勒布教授以位于半人马座的比邻星为例，解释了在其宜居行星上，使用化学燃料的火箭想达到逃逸速度会有多么困难。
“离太阳最近的恒星，即半人马座比邻星，是暗淡恒星的代表，它的质量仅有太阳的12%。”勒布教授说，“数年前，人类发现这颗恒星存在一颗地球大小的行星，位于其宜居带内，这就是比邻星b。它到比邻星的距离只有地球到太阳距离的大约1/20。与地球环绕太阳轨道上的逃逸速度相比，比邻星b这个位置上的逃逸速度要高出50%。比邻星b上如果有外星文明的话，他们会发现自己很难用化学燃料火箭发射进入星际空间。”

超级地球，连进入太空可能都是奢望
希普克的论文，则从另一个角度入手，考虑了地球实际上可能不是宇宙中最宜居的行星类型。比地球质量更大的行星表面重力通常会更大，意味着它们能够维持一个更浓厚的大气层，这样可以屏蔽更多有害的宇宙线和太阳辐射。此外，重力更大的行星地形会更加平坦，导致行星表面以群岛为主，而不像地球这样被浅海隔开成一块块大陆——从生物多样性的角度来看，群岛地形是更加理想的环境。但对于火箭发射来说，地表重力的增加也意味着逃逸速度会更大。

一颗“超级地球“的艺术想象图。这颗行星的质量是地球的许多倍，但小于天王星或海王星。图片来源：NASA/Ames/JPL-Caltech

希普克称，当行星质量更大时，传统的化学燃料火箭需要更多燃料才能发射升空。 这其中存在某种指数关系。举例来说，假设地球引力为1，所需的燃料为2，那么在一颗重力为10的行星上，所需的燃料就会变成210，即1024。因此，在这样一个过分简化的模型里，比地球重10倍的超级地球上，火箭需要1000倍的燃料才能把同样的载荷发射升空。
希普克以开普勒-20b为例作了一个比较。这是一颗950光年外的行星，其半径是地球的1.6倍，质量是地球的9.7倍。地球上火箭的逃逸速度约为11.2千米/秒，而在与开普勒-20b相似的一颗行星上，火箭的逃逸速度将达到大约27.1千米/秒。相比于地球上同样的火箭，开普勒-20b上发射的单级火箭需要燃烧掉104倍的燃料才能入轨。
希普克还用一些特定的载荷为例作了计算。如果要将6.2吨的韦布空间望远镜送入轨道，在开普勒-20b上需要使用大约5.5万吨燃料，与最大的海洋战列舰质量相当。如果要进行阿波罗登月任务，即载荷为45吨，火箭就必须更大，达到大约40万吨级——而地球上执行阿波罗任务的土星五号火箭，就算加满燃料，总质量也才大约3000吨而已。
希普克的分析认为，化学燃料火箭在10倍地球质量的行星上虽然仍可以达到逃逸速度，但火箭所需的燃料让这种方法显得不切实际。希普克指出，这可能对外星文明的发展产生严重影响。
“我很惊讶地发现，人类差点就会被困在地球上，而不是像现在这样可以开展太空飞行。”他说，“其他文明，如果存在的话，可能不会有这么幸运。在质量更大的行星上，航天发射的成本是成指数倍增加的。这样的文明不会有卫星电视、登月任务，也不会有哈勃空间望远镜。这将改变他们的文明进程。”

一枚火箭正在化学燃烧的驱动下发射升空。这样的场景，恐怕在外星文明那里并不常见。图片来源：SpaceX

化学火箭，可能是少数文明才能掌握的能力
在搜寻地外文明（SETI）方向，这两篇论文都提供了一些明显的指向性。比如说，如果在红矮星周边的行星上，或者在超级地球上，技术文明都不太可能进行航天探索的话，目前我们所采用的SETI技术可能就更难发现他们了。
不过，勒布和希普克也都指出，外星文明也可以采用其他的推进方法，比如用光帆或核动力引擎来进入太空。对于这些技术，我们人类也在研究，目前都还处在非常初步的阶段。归根到底，我们所熟悉的喷气推进技术，在宇宙中大概不会有多少技术文明采用，因为对他们来说，化学火箭可能根本就不适用。
莫非，这才是外星人至今都还没来过地球的真正原因？！（编辑：Steed）
编译来源Universe Today, THE CHALLENGES OF AN ALIEN SPACEFLIGHT PROGRAM: ESCAPING SUPER EARTHS AND RED DWARF STARS
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