看过流浪地球的朋友应该知道哪些（你需要恶补哪些天文知识）

《流浪地球》的故事背景是这样的：

太阳急速老化，逐渐膨胀成红巨星并吞噬太阳系的一切。地球难逃一劫，为了文明的延续，人类决定带着地球一起大逃亡，并且为自己选了一个新的家园——比邻星（半人马座三星之一）。

说起半人马座，其实看过刘慈欣另一部科幻小说《三体》的朋友都十分亲切，它不仅是距离太阳系最近的恒星系，也是《三体》小说中三体文明的诞生地。

为了带着地球飞向4.2万光年外的半人马座，人类制定了宏伟的计划：建立行星发动机—地球停转—利用木星加速—全力加速500年至光速的5‰并滑行1300年再减速700年—泊入新星系。影片中的故事主要集中在前3个阶段，并展现了宏伟的科学构想。

电影《流浪地球》

作为刘慈欣小说《流浪地球》改编的同名电影，可以说是中国硬科幻电影的里程碑式作品。那么，我们想真正看懂《流浪地球》，需要恶补哪些天文知识呢？

带着种种疑问和思考，让我们一起探索科学的奥秘！

地球为什么要流浪？

地球不得不流浪，主要源于太阳即将发生的”氦闪“。这也是本故事能够发生的最基本情节设定。”氦闪“是0.5~2.3倍太阳质量的恒星在老年阶段所发生的特有的剧烈变化，在介绍氦闪之前我们先简单了解一下恒星。

主序阶段的太阳

以太阳为例，我们的太阳就是宇宙中普普通通的一颗恒星，大概已经形成了50亿年，而我们的宇宙已经形成了约137亿年。宇宙中所有的重元素都来自恒星的爆炸。第一代恒星是没有重元素的，仅含有氢、氦等宇宙大爆炸中形成的少数轻元素。而我们的太阳和太阳系各大行星都含有重元素，因此从太阳的元素丰度分析可以肯定，太阳至少是第二代恒星，早在太阳之前就已经有很多恒星经历过了主序到爆发的生命周期。

其实包含我们人类在内，地球上几乎所有的重元素都来自太阳之前老一辈恒星的爆炸，换句话说，我们的地球和人类都是恒星这个超级核聚变大熔炉在超新星爆发中的“炮灰”和“炉渣”，所幸的是，经过46亿年的演化，我们这些“渣渣”居然产生了智能。

那么恒星到底是怎么形成的？会经历怎样的过程？

恒星源自宇宙中星云在引力作用下的坍缩。在坍缩过程中，当星云中心达到一定压力和温度后（大概在800万度），氢开始聚变为氦，此刻便可真正称之为恒星了。恒星由此便进入了主序星阶段，这也是恒星一生中持续时间最长的阶段和最稳定阶段。

我们的太阳目前正处在此稳定阶段，且将在主序阶段总共持续100亿年，从目前算起，还有50亿年的稳定期。

太阳内部的氢聚变在缓慢而稳定的持续，当核聚变产物氦在内部聚集到一定质量的时候，内部的氦核心将发生引力坍缩，释放出来的能量将以辐射形式使得外层氢层膨胀而变更成亚巨星。此时我们的地球可能会被太阳烤焦，这个时候我们人类可能真的又要变成“渣”了。

随后内部的氦核会在引力作用下最终坍缩到电子简并态（可以用泡利不相容原理解释的一种量子效应，可以不必理会），当简并核心的温度达到1亿度的时候会发生氦聚变成碳的剧烈的爆炸式反应，称之为“氦闪”（仅0.5倍~2.3倍太阳质量恒星会发生），随后太阳将变为一颗红巨星。如果此时地球还在原来位置的话，人类将连“渣”都不剩了。

随后太阳还会发生一系列氦聚变为碳、氦和碳聚变为氧的复杂核反应，但没有必要再关心了。总之太阳最终会变成一颗碳-氧白矮星。

至于《流浪地球》中为什么还没到50亿年后就会发生氦闪，这个只能是大概率寄希望于人类的太阳理论模型出错了，目前描述太阳的基本理论模型是五个微分方程，并且已经得到了很多坚实的理论和实测数据的支持。所以，这个现象只是大刘在科幻小说里的一个情节设定了。

重聚变发动机

《流浪地球》中的行星发动机

我们逃离太阳的大杀器，重聚变发动机。

这一技术太超前，已经超越了我们太阳的核聚变能力。太阳最终也只能聚变到C和O而变成碳氧白矮星。而重聚变发动机需要的是将C、O、Si等元素再次发生核聚变，甚至直至聚变到Fe元素的过程，从而产生能量推动粒子流射向太空，推动地球逃离太阳。

这一技术短时间内怕是非常难以实现的，目前人类耗费了巨大的人力物力才实现了短时间的氢聚变。

木星的引力弹弓是怎么回事？

木星

引力弹弓是航天领域普遍被大家熟知的物理现象，即小天体经过大天体引力弹弓作用后，与大天体的相对速度改变，比如“旅行者号”的加速、帕克太阳探测器的减速都是利用它来零消耗地改变速度方向和大小，送达目标轨道的。

众所周知，太阳系内质量最大的行星是木星，其质量是地球的380倍（排名第二的土星仅为地球的95倍，质量比越小越不适合做引力弹弓），而且木星距离地球最近。因此，木星是理所当然的一个选择。

经初步计算，当地球加速到远日点与木星接近同轨时（假设加速过程近日点与太阳距离变化不大），地球速度约为木星公转速度的0.58倍，二者方向相同，经过木星加速后，速度为木星公转速度的1.42倍，刚好达到太阳系逃逸速度，是逃离太阳系最快的方式，而此时对应近日点速度由0.71倍的逃逸速度加速到地球逃逸速度的0.91倍，这个过程将使逃逸时间节约约1/3，为人类“保命”作出了突出贡献。因此，木星是地球逃逸中转站的不二之选。

洛希极限

洛希极限（Roche limit）是天文学中的一个特殊的距离。当两个天体的距离少于洛希极限时，它们就倾向于被“潮汐力”撕碎。

计算表明，地球和木星的距离如果低于10.3万公里，那么大气就会在潮汐力的作用下脱离地球；如果距离低于7.44万公里，那整个地球都会被撕碎。

潮汐力有多可怕，我们拿一个茶壶和茶杯举例子：

用来演示潮汐力的茶杯

再靠近木星一点，地球将进入地木“刚体洛希极限”（地木距离约7.44万公里）。在此处，就连坚硬的岩石都会被引力差撕碎，地球将彻底解体↓↓↓

地木刚体洛希极限模拟

可以想象《流浪地球》中，人类面临的是怎样的绝望了。太靠近木星不行，那样会被潮汐力撕碎；太远离木星也不行，那样无法借助引力弹弓变轨……

电影《流浪地球》中，地球的大气层已经落入了洛希极限内，从而被木星不断地抽取大气，场面极为壮观。这是本影片非常硬核的部分。我认为这是本科幻片中最有特色、最激动人心的场面和情节。当看惯了各种飞船穿越星球后，看到星球间的吸积作用还是耳目一新的。

不过此处特效貌似忽略了吸积作用中被吸积物质角动量的影响，真正的吸积应该成为盘状结构，场面上应该是有弧度的吸积通道，而不是电影中的一条直线。

大气层恢复

经历了木星的拖拽之后，地球丧失了大量空气，导致当时地表飞机由于气压降低到无法飞行，这个故事情节可把电影院的观众都吓了一跳，所以地球后面又经历了一次大规模的冲击波剥离，那么是否说这颗地球以后大气层就所剩无几了？其实，地球大气层是一个相对稳定的变化过程，其厚度主要是由地球的万有引力和磁场来维持，万有引力吸附大气，磁场削弱太阳风等宇宙粒子对大气的剥离。

随着地球离开太阳系远离太阳，太阳风会大幅削弱。在这种情况下，首先地球可以继续保持现有的大气层，但是由于地球表面已变成冰冻星球，基本也无法为大气层增加大气，所以将在很长一段时间里维持目前的状态。

更多问题一起探讨

除此之外，影片中还涉及到了很多天文相关的细节问题，诸如刹车推力、加速推力、逃离洛希极限、月球的影响等等。

至于能否实现，其实需要经过严格的计算，粗略估算下来，按照影片中的做法，是基本上实现不了的，但作为科幻电影，能有壮观的场面，基本上合理的硬科幻设定，也算是可以理解了。

另外地球停转并离开太阳后还有很多情况会发生变化。

一些地球物理问题：地球停转以后失去科氏加速度、失去地磁场后的问题、地壳在推力下的变化、失去太阳辐射后的变化。

一些气候问题：停转后引起的气候变化、全球冰封后冰面上升、大气降水等问题。

工程问题暂且不讨论，以上这些较大范围的宏观现象都将会发生剧烈的变化。

总的来说，电影《流浪地球》还是给出了一个非常不错的科学设定，在大的天文学理论框架层面还是讲得通的，算得上是良心之作了。

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