人類在地球之外的其他星球如何生活？會發生什麼樣的故事？
這是很多科幻文藝作品的背景設定，無論太空歌劇《星戰》，還是《三體》之類硬科幻。
近期上映的科幻電影《沙丘》，故事即在沙漠行星“厄拉科斯”展開。但除去外星生物“沙蟲”和雙月凌空的天象以外，電影中的環境更像地球上中東地區的復刻。
而伴隨著《三體》動畫版及電視劇集的官宣預告片近期在全球首發，這部小說中三體行星的奇特環境設定再次匯聚各方的目光：三顆恆星進行著極其複雜又難以預測的“三體運動”，致使三體行星在三顆恆星之間往來穿梭，時冷時熱，氣候毫無規律，無跡可循。
就《沙丘》和《三體》這兩部近期引人關注的影視作品來說，其背景設定是否合理？《沙丘》中的一星雙月，以及《三體》中的混亂三星，這類天象在真實宇宙中會否存在？我們能夠在太陽系以外找到“厄拉科斯”或者“三體行星”嗎？
比鄰星b與其所屬的半人馬座三星系統的藝術假想圖。由比鄰星和半人馬座αA、B星組成的三星系統，是科幻小說《三體》中三體人所在星系的原型。 圖片：歐洲南方天文臺
沙漠行星去哪找？
“厄拉科斯——沙丘——沙漠星球。”在沙丘系列小說開篇作裡，科幻作家弗蘭克·赫伯特反覆詠唱這三個詞。
厄拉科斯，是沙丘故事的發生地。故事發生在遙遠的未來。這是一顆沙漠星球，有兩顆月亮，是宇宙航行所需資源——一種被稱為“美琅脂”的香料的唯一產地。
在沙丘的宇宙世界中，宇宙帝國的權力結構受到香料的供應的限制——這或許是一種隱喻，作者赫伯特曾提到，香料就是石油。而黃沙漫天的世界，大概也是從地球上的石油主產地——中東地區獲得靈感。
也有較真的讀者願意探究這部太空歌劇背後的科學邏輯：像厄拉科斯這種雖然環境惡劣卻還適合人類生存的星球，去哪找？
根據權威統計網站“太陽系外行星百科”資料，截至2021年12月2日，人類共發現4879個太陽系外的疑似行星。這個名單收錄星體的質量上限是25倍木星質量，但由於現有技術條件下對遠方天體的質量計算時誤差很大，因此名單常有增減。
人類發現第一例太陽系外行星是在1992年。天文學家亞歷山大·沃爾茲森和戴爾·弗萊宣佈發現圍繞脈衝星PSR B1257+12公轉的行星。後來科學家進一步證實，總共有三顆行星圍繞這顆脈衝星公轉。但因為脈衝星的強烈輻射，一般認為生命難以在這些行星上生存。
1995年，天文學家米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲公佈了人類有史以來發現的第一顆環繞類太陽恆星執行的系外行星：他們透過法國南部上普羅旺斯天文臺，觀測恆星飛馬座51的視向速度訊號, 確認了在其周圍存在一顆與木星質量相當的氣態巨行星。2019年，這項工作榮獲諾貝爾物理學獎。
人類迄今為止發現的4000多顆疑似系外行星，基本上可分為氣態巨行星、冰巨星、類地行星(岩石行星)等型別。
類地行星，顧名思義就是類似地球、有固體表面的行星。人類發現的系外類地行星數量很少——但這並不意味著這類行星很罕見，而是由於氣態巨行星較大而相對容易觀測，相反類地行星不容易被探知。
即使找到系外類地行星，也未必適合人類生存。只有行星軌道處於“宜居帶”內，才可能適合人類生存。
如何判斷宜居帶？溫度是最主要標準。中國科學院國家天文臺李然研究員向記者介紹，可根據各星系主星的恆星型別，透過距離計算劃定出此星系存在液態水的軌道範圍，這個範圍就是宜居帶。“當然目前也有更多研究指出，主星的活動性、所處的星系環境等都是影響宜居帶的參考因素。”
科普作家、廣州大學副教授鄭李垚進一步解釋，“宜居帶”也稱“金鳳花姑娘地帶”，來源於“金鳳花姑娘和三隻小熊”的童話故事。故事主人公喜歡不冷不熱的粥、不軟不硬的椅子等“剛剛好”的東西。正如同宜居帶內的行星，表面既不太熱也不太冷，適合生命生存。
“水也是一個重要指標。”鄭李垚強調。
在沙丘世界裡，沙漠星球表面的居民不得不穿著一種名叫“蒸餾服”的裝束，以回收身體的水分。
按《沙丘百科全書》的設定，厄拉科斯和地球類似，都是星系中的第三顆行星。但第二顆和第四顆行星比它大得多，因此夾在其中的厄拉科斯受引力影響，軌道和自轉速度都變動巨大，沙漠行星上一年的長度從295個標準日到595個標準日不等。
厄拉科斯曾有三顆天然衛星，其中一顆衛星已被一顆小行星或彗星撞碎，大部分碎片撞擊到厄拉科斯表面，其餘物質在行星周圍形成了環形結構，進一步惡化了行星生態。
餘下的兩個月亮，科勒倫體積較大，軌道離厄拉科斯遠些。阿爾文體積較小，也更近。《沙丘》電影中一個驚豔的畫面是雙月凌空，而遠處的科勒倫看起來更為巨大，這意味著它的真實尺寸可能相當驚人，受主星與另一衛星阿爾文的引力擾動更強。而當三顆天體彼此靠近，引力作用使它們形成著名的“三體”情形。中國科學院國家天文臺南美天文中心天體物理學專業學者劉豐源據此猜測，沙丘星球的雙月凌空天象或許只能穩定很短的時間。沙漠行星上的居民，或許會目擊“天無二月”，甚至因碰撞產生的碎片而再遭滅頂之災。
三體運動很常見，三體星系不好找
混亂而命運莫測的厄拉科斯，很容易讓人聯想起另一部科幻小說《三體》。小說中，科幻作家劉慈欣以半人馬αA星、半人馬αB星和比鄰星為原型，設計了一個由三顆恆星組成的混亂星系——三體人所在的行星，被三個“太陽”的引力互動作用，導致行星的軌道高度混沌：當行星被一個“太陽”捕獲，並圍繞其旋轉時，三體人會暫時獲得一段穩定的發展期，即“恆紀元”。當行星未能被一個“太陽”捕獲，太陽昇落毫無規律時，這段時期被稱為“亂紀元”。
由於三個“太陽”執行無規律，當三體行星過於靠近“太陽”時，會因為溫度過高而表面熔化；過於遠離“太陽”時溫度又會過低。甚至，在某些條件下，行星會因為引力的撕扯而解體，或是墜入某個“太陽”。
事實上，在天文學領域，所有星體的運動基本都離不開“三體運動”，這也是天體力學中的基本力學模型。
從事空間物理研究的加州大學洛杉磯分校李金星研究員舉例說，地球、月亮和太陽也可看作三體運動。但因為質量懸殊，因而系統相對穩定。“太陽系只有一顆恆星，太陽質量是地球月亮加起來的30萬倍。就這個三體系統而言，太陽本身非常穩定。地球質量是月亮的80倍，所以地月日系統在短時間，比如幾百萬年內，也是相對穩定的。”
“反之，如果三體質量沒那麼懸殊，甚至在同一量級，就非常不穩定，要麼相互捕獲而撞毀，要麼速度過高而逃逸。”李金星說。
鄭李垚也表示，在現實中，像《三體》小說中的三個“太陽”組成的星系，時間如果足夠長，會把一個恆星“甩出去”，進而形成相對穩定的結構。
李然則援引《三體》小說參照的原型——半人馬座α三星系統來闡釋：由於半人馬座αC星（俗稱比鄰星）質量太小，和A星、B星的距離也太遠，不存在相互捕獲的問題。“半人馬座α星本質上是A星和B星構成的穩定雙星系統，加上一顆圍繞它們公轉的比鄰星，是三體問題的特殊解。這樣的系統也是可以較為穩定地存在很長時間。”
被認為是類地行星的比鄰星b表面假想圖。天上的“太陽”是比鄰星，兩顆星星是半人馬座αA、B星。這三顆恆星組成的三星系統，是科幻小說《三體》中三體人所在星系的原型。 圖片：歐洲南方天文臺
李然進一步說：“雖然穩定的三體運動都是特殊的構型，但是因為宇宙的年齡很長，所以不穩定的早都散了。在宇宙裡能夠存在下來併為我們所觀測到的，一般都是穩定構型。”
系外行星不罕見，但是生命呢？
在現實中的三體星系，科學家也已經發現行星的存在。
2012年，歐洲天文學家在《自然》雜誌上報告稱，透過對歐洲南方天文臺的HARPS光譜儀資料進行分析，發現了圍繞半人馬座αB恆星執行的“一顆地球質量的行星”。但這一發現在之後幾年裡被證偽。
幾年後，2016年，同樣從HARPS光譜儀的資料中，歐洲學者發現，距離人類最近的恆星、半人馬座α三星系統中的比鄰星星系裡，存在行星。後續研究認為，這顆行星位於其恆星的宜居帶內。
在距離太陽系最近的恆星系中發現行星，科學家認為這並不是巧合，而是意味著行星在這個宇宙中普遍存在。
受限於技術水平，想搜尋遙遠的行星，人類主要採用掩星法、徑向速度法等間接探測方法。
其中，掩星法往往容易發現滿足觀測幾何條件的短週期系外行星——其觀測原理是當行星執行至恆星前方時，恆星的亮度會因行星遮掩而減弱，並且這種亮度減弱現象的出現是週期性的，由此便可探知恆星周圍有行星存在。
近年來，美、歐相繼開展了眾多系外行星凌星觀測，其中最為成功的是開普勒(Kepler)空間望遠鏡觀測任務。目前，人類發現的4000多顆疑似系外行星中，大部分都是來源於開普勒望遠鏡的觀測資料。
不過，根據掩星法發現的系外行星，由於原理限制，卻是無法直接確認行星質量等重要特徵。更多的資料，例如密度等，還需要依靠其他觀測方法佐證。
隨著觀測資料的積累，天文學家對系外行星的規模也有了猜測：2013年，天文學家根據開普勒望遠鏡的探測結果，估算出銀河系內每5顆類太陽恆星中就有一顆擁有處於宜居帶的地球大小的行星。
如果把銀河系的恆星總數估值為2000億，那麼僅僅在銀河系內，圍繞類太陽恆星且位於宜居帶的類地行星就多達110億顆。
在這個量級上，可能性實在太多：或許在宇宙的某個角落真的存在沙漠行星，或許某顆行星上正處於“恆紀元”和“亂紀元”交替……
有如此多的異星世界存在，人類離開地球，甚至離開太陽系生存繁衍，似乎多了些可能性。
但一個無法迴避的問題是：如何去到異星？
在《沙丘》系列中，人類透過食用香料“美琅脂”獲得預知未來和穿越宇宙的能力——這聽起來太過神秘主義，現實中也找不到起碼的科學依據。《三體》小說裡星際旅行所需的曲率引擎，雖然聽起來更“科學”，仍然是“幻想”大於“科學”。
作者劉慈欣在一次座談中就曾經提到，《三體》小說中的技術路線雖然讀起來很“硬科幻”，但只是“文學手法”；他本人也並不懂航天技術。
按照人類目前最快的航天器“新視野號”的峰值速度計算，從地球飛到比鄰星需要1.4萬年。而前往距離地球約1400光年、號稱“第二地球”的開普勒-452b，需要花上2700萬年。
鄭李垚還提到一種可能——人類如果真的走出地球、走出太陽系，生活之處未必是其他行星，也可能直接以巨型飛船為家。就像劉慈欣小說《吞食者》中的恐龍文明那樣，“吃掉”途經的行星，然後繼續踏上前往下一個行星“補給站”的千萬年航程。文明在飛船上世代繁衍，永遠航行。
【記者】王詩堃
【策劃】張志超 呂虹
【作者】 王詩堃；呂虹；張志超
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