周一 · 知古通今|周二 · 牧夫專欄
周三 · 視頻天象|周四 · 觀測指南
周五 · 深空探測|周六 · 茶余星話|周日 · 太空探索
1971年，英國數學物理學家、諾貝爾獎得主羅傑·彭羅斯提出了一種從旋轉黑洞中提取能量的方法。他認為，可以通過在黑洞的吸積盤周圍建造一個裝置來實現這一點。在吸積盤中，向內落入的物質會被加速到接近光速，從而在多個波長上釋放出能量。
自那以來，許多研究人員提出，先進文明可以利用這種方法（彭羅斯過程）為其文明提供動力，並認為這可能是一種我們應該尋找的技術標誌。例如，約翰·M·斯馬特的「超越假說」就是一個例子。他提出這一假說來解釋費米悖論（譯者註：宇宙中應當存在大量外星文明，但為何我們沒有觀測到）——認為先進的文明可能會遷移到黑洞周圍的區域，以利用那裏的可用能量。
旋轉且帶電黑洞的光線追蹤陰影
圖片來源：Simon Tyran, CC BY-SA 4.0
最新的例子來自哈佛大學教授阿維·勒布，他在最近的一篇論文中提出了先進文明如何依靠「黑洞月球」為其母星無限地提供能量。他認為，這種黑洞照亮其所環繞行星的方式將構成未來地外文明搜尋計劃中的一種潛在技術標誌。勒布教授是哈佛大學的弗蘭克·B·貝爾德二世科學教授，同時擔任哈佛-史密松天體物理中心（CfA）理論與計算研究所的主任、黑洞倡議（BHI）的創始主任以及伽利略項目的負責人。他的最新論文《黑洞月球照亮行星作為技術標誌》最近發表在美國天文學會研究簡報上。
1975年，斯蒂芬·霍金提出理論認為黑洞會發射光子、中微子和一些較大的粒子——這些現象後來被稱為「霍金輻射」。自那時起，利用黑洞作為能源的提議通常分為兩大類。一種是利用黑洞吸積盤的角動量（即「彭羅斯過程」），或捕捉由其高速噴流產生的熱量和能量（可能以戴森球的形式）。另一種則是將物質投餵給黑洞，並利用由此產生的霍金輻射來獲取能量。
在他的論文中，勒布提出了關於一種高級文明可以通過上述第二種方式來獲取能量的設想，即設計一個環繞其母星運行的黑洞。這個黑洞將非常小，質量僅為十萬噸。如果不加以控製，這個黑洞將在一年半內通過霍金輻射蒸發消失掉。但正如勒布通過電子郵件告訴《宇宙今日》的那樣，它可以通過每秒吸積相對少量的物質來維持。作為交換，它將提供源源不斷的能量供應：「這個黑洞系統是我所想到的最有效的引擎。燃料以100%的完美效率轉化為能量，因為落入黑洞的質量最終會以霍金輻射的形式釋放出來。我之前沒有看到過這個想法的相關討論，當我幾周前意識到這一點時，我有了一個『尤裏卡時刻』。唯一能夠以100%效率將質量轉化為輻射的其他方法是物質-反物質湮滅。」
正如勒布所指出的，我們所需的反物質數量超出了人類目前的創造能力。自1995年以來，歐洲核子研究中心（CERN）的粒子加速器已經產生了不到10納克的反物質，這可以為一個60瓦的燈泡提供四小時的能量。相比之下，勒布提議的質量為十萬噸的黑洞可以持續提供40 quadrillion（40×1015）瓦的能量。 「全球能源使用量為幾個太瓦（譯者註：1太瓦=1012瓦），比這個黑洞的能源供應少了一萬倍。」勒布補充道，「這個黑洞引擎的另一個優勢是它可以使用任何形式的物質作為燃料，可以是垃圾。沒有比將垃圾以100%的效率轉化為清潔能源更好的回收方式了。」
黑洞可以將任何形式的物質作為燃料，包括文明產生的任何廢物。在這方面，黑洞引擎不僅能為高級文明提供取之不盡的能量，還能解決其垃圾問題。全球範圍內，人類每年產生大約19.2億噸的廢棄物，這對我們的環境造成了嚴重影響。這些廢棄物足以為一個質量為十萬噸的黑洞引擎提供超過4.37億年的燃料。
關於如何實現這樣的壯舉，勒布提到了他之前的一篇專欄文章，文章中他推測一個足夠先進的文明可以通過量子隧穿創造一個「嬰兒宇宙」。雖然這種壯舉只有三級文明（或更高級）才能實現，但黑洞引擎則要簡單得多，或許二級文明就能夠製造出來。
黑洞蒸發引擎 想象圖
圖片來源：https://interstellarresearchcentre.org/
「這是一個重大挑戰。好消息是，製造這樣一個黑洞要比製造嬰兒宇宙容易得多。但是，任何生產質量為十萬噸的黑洞的生產線都需要將物質或輻射壓縮到比固態鐵的密度高60個數量級的質量密度。原子核或中子星的密度僅高出15個數量級。在宇宙大爆炸後一飛秒內的宇宙輻射密度下，這種密度曾是可能實現的。」這是勒布最近撰寫的另一篇論文的主題，他在論文中論證了基於廣義相對論，黑洞可以由光構成。這種可能的黑洞引擎最有趣的地方在於，即使在很多光年之外它也能被探測發現，從而成為一個可行的技術特征，暗示高級文明的存在。
像許多潛在的技術標誌一樣，特別是戴森球和其他宏大結構，黑洞引擎的存在仍然是猜測和理論性的。但正如弗裏曼·戴森曾經提到的，無論我們能想到什麼，如果物理學上是合理的，一個足夠先進的文明可能已經實現了這一點。
勒布表示：「黑洞引擎可能被發現為一個流浪的巖質行星，它被一個發出伽馬射線的月亮照亮，而這個月亮沒有恒星質量的伴星。如果我們發現了這種引擎的證據，我們需要考慮這種來源可能是由一個高度先進的技術文明創造或捕獲的原初黑洞。沒有比通過創造一個迷你黑洞的時空曲率熔爐更能標誌技術創新的了。」
---[天文濕刻-牧夫出品*微信公眾號：astronomycn/翻譯：劉海牧*美編：周英傑/來源: 牧夫天文]
Professor proposes how a black hole in orbit around a planet could be a sign of an advanced civilization (phys.org)
*JUICE第一次飛越地球和月球*
周一 · 知古通今 | 周二 · 牧夫專欄
周三 · 風月同天 | 周四 · 觀測指南
周五 · 深空探測 | 周六 · 茶余星話 | 周日 · 太空探索
歐洲探測木星冰質衛星的任務讓我們看到了地球和月球的一些令人驚嘆的近景。
圖註：在飛越地球前不久，JUICE任務拍攝了這張地球的照片。
圖源：ESA / Simeon Schmauß / Mark McCaughrean
上周早些時候，一位勇敢的星際旅行者拜訪了我們地球的鄰居。歐洲航天局的木星冰質衛星探測器（JUICE）於上周一和上周二晚上繞月球和地球飛行。在穿過太陽系內部前往木星的途中，該任務的軌道設計使得JUICE的路線比較復雜。
雖然其他任務，包括卡西尼號和比皮可倫坡號，都利用了近地飛行，但上周的事件是有史以來第一次月球—地球引力輔助。月球參與這次飛越是因為去年的發射窗口，16個月後，這些行星就像打臺球一樣排成一排。
圖註：當JUICE飛船穿過晝夜分界線時，洪堡隕石坑和其他隕石坑進入了人們的視野。
圖源：ESA / Simeon Schmauß / Mark McCaughrean
這次距離月球表面700公裏的飛越發生在8月19日世界時21點15分。然後在24小時後的白天，世界時21點56分，宇宙飛船在距離地球表面6840公裏的地方飛越了東亞和太平洋。下一個飛躍的是金星。
圖註：虛擬望遠鏡項目看到JUICE航天器在8月10日靠近地球。
圖源：Gianluca Masi / The Virtual Telescope Project
經過月球使任務的日心速度（相對於太陽的速度）改變了0.9km/s，而經過地球時的速度變化是4.8km/s。宇宙飛船的軌道偏轉了大約100度。歐空局的全球Estrack網絡在整個飛越過程中監視著航天器。
該任務的運營主管伊格納西奧·坦科在最近的一篇通訊稿中說:「重力輔助飛越是完美無缺的，一切都很順利，我們很高興看到JUICE回到離地球這麽近的地方。」
圖註：從JUICE上看到的月球邊緣(註意飛船後面地球的藍色淡影)。
圖源：ESA / Simeon Schmauß / Mark McCaughrean
行星飛掠是一場精致的軌道芭蕾，但它是值得的：這種機動節省了燃料，對於重型航天器來說非常值得（發射質量為6070公斤）。這次機動節省了100到150公斤的燃料。發射和航向修正都很到位，以至於工程師們現在說，飛船將能夠比原計劃更接近木星的最大衛星木衛三。
圖註：這個時間表顯示了為了最終將其帶到木星及其冰質衛星，JUICE航天器將進行的飛越。該任務將以環繞木衛三的多個近距離軌道結束，並最終在該衛星上墜毀著陸。
圖源：ESA
這次飛越為JUICE的儀器包提供了一個關鍵的測試和校準階段。這次任務在通過期間開啟了10個科學儀器中的8個，包括高分辨率的JANUS成像儀，該成像儀稍後將用於繪製木星衛星表面。同樣令人特別感興趣的是冰質衛星探測雷達（RIME）的性能，它將通過雷達探測來測量衛星。它的天線最初在部署時卡住了，可能會受到航天器上其他儀器的幹擾。
「在月地引力輔助期間，所有的RIME活動都成功進行了，我們從整個有效載荷補充中收集了大量的科學數據，」坦科說。「我們還需要幾天的時間來連接所有存儲的文件，然後儀器團隊將致力於詳細分析數據。我們需要幾周的時間才能對RIME的表現正式發表聲明。」
現在，JUICE將繼續下一次飛越，將在一年後的2025年8月31日經過金星。這將使該任務再進行兩次近地飛行：一次在2026年，另一次在2029年。JUICE將於2031年抵達木星系統，就在美國宇航局的木衛二快船（Europa Clipper）之後，後者將於今年10月發射，采取更直接的路線到達這顆巨大的行星。JUICE將在木衛三周圍的軌道上結束它的日子，最終在2035年在衛星上墜毀。
圖註：在JUICE拍攝的這張照片裏，地球顯得格外雄偉壯觀，映入眼簾的是雲霧繚繞的浩瀚太平洋。這不會是最後一次，因為JUICE將在2026年再次返回地球。
圖源：ESA / Simeon Schmauß / Mark McCaughrean
告別了，JUICE…我們2026年再見。
---[責任編輯：楊欣冉*牧夫新媒體編輯部*天文濕刻牧夫出品*微信公眾號：astronomycn/作者：David Dickinson*翻譯：何永強*校對：牧夫天文校對組*排版：簡稚瑉*後臺：李子琦/來源: 牧夫天文]
圖註：科學家利用哈勃太空望遠鏡探測仙女座星系的旋臂，以分析隱藏在其中的恒星集合。
圖源：NASA, ESA, M. Boyer (Space Telescope Science Institute), and J. Dalcanton (University of Washington)
原文鏈接：https://skyandtelescope.org/astronomy-news/see-amazing-images-from-first-ever-earth-moon-flyby/
