細數《挽救計劃》中不易察覺的七個細節丨看電影學天文

各位逐星老友們看了剛剛上映的科幻電影《挽救計劃》嗎？如果沒看也不要急著退出頁面，本文內容雖然涉及少量劇透，但主要是在介紹電影的底層設定與背景知識，適合觀前閱讀，有助于在觀影時更好理解電影劇情。

01

關于電影標題

《挽救計劃》的英文原名是Project Hail Mary，初看「Hail Mary」和「挽救」似乎風馬牛不相及，但不妨想象這樣一個場景：

在體育比賽中，你支持的一方在比賽臨近結束時仍然落后。你很不甘心，希望有奇跡出現：一次希望渺茫，但可以絕處逢生，反敗為勝的機會。

如果是賽車，會是終點前的彎道超越：

如果是足球，會是終場哨聲響起前的一腳射門：

如果在籃球場，會是一記壓哨三分投籃：

如果發生在美式橄欖球比賽上，這叫做「Hail Mary Pass」：

這就是Project Hail Mary，一個目的地在光年之外，有去無回，只有成功才能挽救全人類的計劃。

02

關鍵設定：噬星體

Project Hail Mary（挽救計劃）因何而起呢？一切的一切都跟一種肉眼不可見，但在不停蠶食太陽能量的星際生物有關。電影中根據其行為仿照噬菌體（bacteriophage）將該生物命名為「噬星體」（astrophage）。

噬星體在整個故事中至少起到了兩個關鍵作用：

• 如果沒有噬星體，危機就不會發生

• 如果沒有噬星體，挽救之星號就無法順利開展星際航行，船員也要遭受足以到致命的宇宙輻射

噬星體吞食太陽能量是一個指數級增加的過程：起初看似緩慢，但隨著時間推移變化逐漸可觀。按照電影給出的信息，只需30年時間，隨著噬星體不斷增殖造成太陽輻射減弱，最終會導致地球平均溫度下降10-15℃，地球的生物圈將會遭受毀滅性打擊。

隨著溫度下降，地球表面的液態水將不復存在

這就是為什么電影中需要如此迫切地執行挽救計劃。

挽救計劃的一個關鍵痛點是需要足夠高效的燃料以支撐飛船開展星際旅行，此時「罪魁禍首」噬星體戴罪立功成了救命稻草，原因是噬星體在某些特殊條件的觸發下會將吸收的能量重新釋放。噬星體能量轉化效率是質能方程級別的，并且可以把自身幾乎全部質量轉化為能量——只需要極少量噬星體釋放能量，就可以融化1噸金屬。2000噸噬星體就足夠支撐挽救之星號在15年內飛抵目的地。

03

培養2000噸噬星體需要多久

電影中提到挽救之星飛船需要2000噸噬星體作為燃料，然而探測器只從宇宙中捕獲到少量噬星體（按照小說設定是大約150顆）。電影和小說都有提到在最佳條件下噬星體倍增時間是8天，但結合噬星體極小的重量（原著小說中提到飽和噬星體僅有17納克，即1.7E-8克），看起來培養出2000噸噬星體似乎遙遙無期。

我們可以計算一下理想狀態下從150顆噬星體到2000噸噬星體需要多久時間。150顆噬星體是2.55E-6克，2000噸是其784313725490196倍，由于

那么50個倍增周期就能讓噬星體的總質量超過2000噸，相當于400天的時間。

04

如何喂飽噬星體

在電影中，引發危機的噬星體同時也是解決危機的關鍵鑰匙——噬星體可以作為燃料支撐跨越12光年的恒星際航行。這里如果你繼續思考，就會注意到一個很離譜的事情：要喂飽2000噸噬星體，按照質能方程換算過來就是1.8E23焦耳的能量，目前全球能源消耗量大約在每年6E20焦耳的水平，飛船所需能量相當于全球約300年的能源消耗量。如此巨大的能量從哪里來？

電影畫面沒有展示收集能量的過程，不過按照小說的設定，人類決定采集撒哈拉沙漠的海量太陽能資源來為噬星體充能。撒哈拉沙漠有約900萬平方千米的土地，一年的平均太陽輻射功率可以達到每平方米約250W，這樣一年能收集到的太陽能總量就是250×9E12×365.25×86400≈7.1E22焦耳。結合其他已有的產能方式，以及將相同模式復制到全球其他富含太陽能資源的地區（如澳大利亞），人類可以在不到2年時間收集到足夠喂飽2000噸噬星體的能量，基本做到和噬星體培養時間同步。

全球日照資源分布圖︱Solar resource map ? 2021 Solargis

05

為什么是單程票

電影中有一幕是波江星人洛基決定給主角格雷斯2000噸噬星體讓他可以返回地球，有觀眾可能會想為什么不在出發時就帶夠燃料呢？比如多帶2000噸的噬星體。

如果想在出發時就帶夠返程燃料，需要的量并不是乘以二那么簡單，而是要更多。定性分析，只帶單程燃料時意味著飛到目的地時燃料已經耗盡，即飛船總質量減少了2000噸。如果要帶上回程燃料，那么到目的地時飛船燃料艙內必須還剩余2000噸燃料，相比單程票時還要額外考慮把2000噸噬星體運到12光年外所需的能量，因此往返所需燃料必然比單程燃料的2倍更多。

那么具體會多多少呢？燃料與飛船質量比遵循這樣一個方程[1]：

其中M是飛船出發時的質量，m是燃料消耗后飛船的剩余質量，單程時m即飛船凈重。考慮返程時時間增加一倍，飛行方式不變，往返所需燃料質量則變成單程燃料質量與飛船質量的平方。假設單程時燃料質量是飛船質量的20倍，那么考慮返程后需要攜帶的燃料質量就會變成飛船的(20+1)2-1=440倍。

如果挽救之星飛船的凈質量與航天飛機相仿（約100噸），那么考慮往返的情況下就需要攜帶超過4.4萬噸噬星體，計劃難度陡然上升，除了超過400倍的燃料飛船質量比，更嚴峻的問題是人類無法在短時間內收集到足夠喂飽4萬噸噬星體的能量。

另外這也解釋了為什么洛基能夠勻一部分燃料給格雷斯，因為他們的飛船從一開始就考慮了往返，必然要攜帶巨量的噬星體。

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破局之路：前往天倉五

不同于100%科幻性質的「噬星體」，電影中出場的一些宇宙天體你可以在現實宇宙中找到1比1復刻的原型。

首先自然是「全村的希望」天倉五。天倉五是中國傳統星空體系中對鯨魚座τ的稱呼。天倉是歸屬于二十八宿之一婁宿的星官，意為天上的糧倉，天倉五是其中的第五星。

天倉五視星等為3.5等，距離約12光年，在一些物理性質上與我們的太陽頗為接近：天倉五的半徑和質量都大約是太陽的80%；另外他們都是G型恒星，即兩者光譜特征相近，天倉五是距離太陽最近的G型恒星之一。

藝術家筆下的太陽（左）和天倉五（右）

目前沒有已知的系外行星圍繞天倉五，但與太陽類似的特征使其長期以來都是SETI（地外文明搜尋）的熱門目標之一。2017年，有研究指出可能存在4顆地球大小的系外行星候選體圍繞天倉五公轉[2]，電影以此為基礎設計了相關劇情。

圍繞天倉五的四顆系外行星候選體相對位置示意圖︱參考文獻[2]

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外星人洛基的三體老家

另一個例子是外星人洛基的家鄉圍繞的波江座40。波江座40在現實中是一個三合星系統，有A、B、C三顆天體，其中波江座40B是歷史上第一顆留下觀測記錄的白矮星，由著名天文學家威廉·赫歇爾于1783年發現。

天文愛好者拍攝的波江座40B（右上白點）︱Wikipedia@Azhikerdude

波江座40A是一顆光譜型為K的主序星，大小與質量同樣與太陽相近（皆為太陽的約0.8倍）。2018年天文學家通過徑向速度法發現的一顆繞波江座40A公轉的系外行星候選體波江座40Ab，發現時認為其公轉周期為42地球日，質量是地球的8.5倍。電影進一步完善了波江座40Ab的設定，使其成為一顆能夠孕育智慧生命的系外行星。

需要注意的是新近研究[3] [4]表明所謂的波江座40Ab的信號特征實際上更可能是恒星自身活動引起的擾動，而非真實天體的反映。

天倉五與波江座40都是真實存在的天體，我們可以用現實天體的坐標數據繪制一張屬于《挽救計劃》的三維宇宙地圖：

在地圖上我們可以清楚看到太陽、天倉五（Tau Ceti）以及波江座40（40 Eridani）的空間位置關系。圖中藍線代表太陽和天倉五的直線距離，白線是波江座40和天倉五的直線距離，紫線則代表了兩個智慧生命家鄉的距離。

光年之外是我們在現實中還遙不可及的距離，電影中出現的真實恒星和物理規律則讓整個故事避免成為純粹的空中樓閣。《挽救計劃》雖是科幻電影，但也可以看作是人類在面對極端困難處境時的一次嚴肅推演。現實之中我們可能不會有太陽危機這樣的「遠慮」，但各種「近憂」不斷涌現。困難不會因為回避、無視就憑空消失，我們必須不斷嘗試，不放過任何可以解決問題的機會，哪怕希望非常渺茫。嘗試本身就是唯一合理的答案。

參考&拓展

[1]https://www.omnicalculator.com/physics/space-travel

[2]https://keckobservatory.org/tau_ceti/

[3]https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/acc067

[4]https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ad34d5

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