走向更远的远方 ——记左文文博士在复旦就《星际穿越》的报告

[ 录入者:数星星的猫 | 时间:2014-12-26 08:47:35 | 作者:复旦大学天文爱好者协会 | 来源:原创 | 浏览:5499次 ]

2014年12月16日星期二,复旦大学天文协会有幸邀请到左文文博士就《星际穿越》这部集科学与艺术为一身的科幻电影做了题为“卡冈图雅——从《星际穿越》探秘宇宙深处”的报告。在天文协会管理层同学精心的准备与复旦大学学生会学术部、校园司令的协助宣传下,这样一场以科普为主要目的,带领大家学习相关天体物理知识的讲座取得了圆满成功~现场不仅座无虚席,讲座结束后,左文文老师还被好学的同学团团围住,探讨相关的天体物理和宇宙的问题~

因为种种原因没能来参加这次讲座?没关系~就让主页帮大家再稍微梳理一点点讲座上学习到的天文知识吧~

诺兰说我不要两个黑洞,就要有中子星,于是便有了借中子星的加速:什么是引力弹弓?

在长距离的星际飞行中,航天器所携带的燃料极其有限,为了节省燃料,在航天器的运行过程中,往往借助附近行星进行加速,这种加速过程就像是弹弓一样,把航天器抛射出去,实现加速目的。可是有的同学就要问了,这是怎么实现的呀?

让我们考虑一个简单的模型:当乒乓球撞上静止铅球时,乒乓球一定会反弹回来,而铅球几乎不动,这是显而易见的常识;现在,假定乒乓球以同样的速度v1向铅球撞去,但此时铅球以速度v2迎面而来,那么,碰撞后的结果将是乒乓球以速度(v1+v2)反弹回来,而铅球的速度几乎不变;引力弹弓加速的原理就相当于这样一个过程,即重量小到可以忽略的航天器与重量极大的天体发生一次碰撞而被反弹回来(事实上,航天器不会真的撞上大质量天体,而是通过天体的引力场实现了这样一个相似过程),获得了自身速度+天体运动速度的这样一个新速度,实现了加速。

诺兰说我就要一个一小时等于七年的行星,于是就有了米勒的行星:引力扭曲时空到底是什么?

在广义相对论中,引力对时空的扭曲,导致了大质量物体周边时间流速的减缓,而且这种效应随着引力的增强而增强——更通俗地说,在同一幢高楼的不同楼层,时间的进程是有所差别的,底层的时间比较慢而高层的时间比较快,尽管这种差别小到几乎可以忽略。在黑洞强大的引力场下,这种时间减缓效应就更加明显了。为了实现米勒行星上一小时等于地球上七年的剧情设定,科学顾问索恩经过思考与复杂的计算,将卡冈图雅这个黑洞设定为了一亿倍的太阳质量(日落后正位于我们头顶的仙女座大星系核心黑洞的质量),并且将米勒的行星放在了距离黑洞约一个日地距离的位置——真是任性的导演与严谨的科学顾问。

诺兰说要有巨浪,于是在潮汐锁定的米勒行星上也出现了巨浪:我知道月球与地球的潮汐,可是潮汐力到底是什么呀?

我们还是用地球与月亮来作为例子来解释什么是潮汐力。为此,我们在地月连线两侧取两个点来看,可以发现,这两侧的点在万有引力的作用下有一个向中间挤压的作用,使得地球有变“椭”的趋势。而恰好地球表面70%的区域是海水,这种效果就以海水“潮起潮落”明显地呈现了出来,这也解释了为什么潮水随着月亮升起而升起,随着月亮落下而退去,而当月亮完全落下之后(在地球的另一面升起)又涨起来。米勒的行星的确是被潮汐锁定了(由于潮汐力的作用,米勒的行星自转周期等于公转周期),但诺兰要求一定要有这样的巨浪以发展影片剧情,为此,科学顾问索恩为米勒星球设定了一个摆动(类似于潮汐锁定下月球的摆动),这样在行星摆动下,巨浪的出现便有了其科学依据。

诺兰说,我知道黑洞的潮汐力可能撕碎靠近它的物体,但我就是要库伯活着进去:为什么卡冈图雅的质量如此之大?

每一个黑洞都有一个视界半径,物质只能从我们这个时空掉落进去,而无法从视界另一边的时空回到我们这个时空,而这个视界半径的大小与黑洞的质量有关。此外,万有引力大小与两个物体质心(等效的质量中心)的距离平方成反比。再考虑这样一个简化的模型:假定卡冈图雅视界半径为N,库伯身高为1,那么库伯要进入视界内,他的头与脚所受到黑洞的引力的差别为K(1/N^2-1/(N+1)^2),K可以认为是个仅与黑洞质量和库伯质量有关的数。我们可以再继续这样一个数学计算,假如N=1,那么差别会是0.75K;而假如N=10,那么差别就变为了0.0017K:所以,黑洞的视界半径越大,也就是质量越大,库伯就越安全(黑洞视界半径与质量的关系为线性关系R=2.96M/M太阳)。所以,卡冈图雅黑洞的质量设定为了一亿个太阳质量。同学们可以自行估算出卡冈图雅的视界半径喔~

星际旅行固然危险重重,固然还有许多需要解决的科学与技术问题,有着太多太多的未知,但我们始终相信,每一点闪耀的星光,都将是我们明天到达的远方!

咦?什么?什么是虫洞?航空站为什么要旋转?吸积盘是个什么东东?为什么传几个数据回来方程就可以解出来了?还有好多好多问题?

大胆地在天之文论坛或者日月光华BBS天文学板块上提出来吧~自然会有大神为大家详细解答的~

欢迎大家关注天之文astron-online、复旦天协fudan-astronomy微信公众帐号!

本周热点

在新窗口打开 实际大小 关闭 鼠标滚轮缩放图片

loading.