天涯若比鄰——「混沌」的比鄰星系統

銀河系內上千億顆恆星，最接近地球的是哪一顆呢？答案很簡單，地球是太陽系的行星，最接近地球的當然就是太陽了！

那麼，最接近太陽的星星又是哪顆呢？

唐代詩人王勃在他的《送杜少府之任蜀州》之中寫道：「海內存知己，天涯若比鄰。」現代天文學家也很浪漫，把最接近太陽的恆星稱為比鄰星。

古中國天文學裡，有一顆星星叫做南門二，在現代天文學裡則叫做半人馬座α（α Centauri）。半人馬座α是最接近太陽系的恆星系，因此亦是除太陽以外最接近地球的恆星。現代天文學家透過天文望遠鏡發現，原來南門二是個三星系統，三顆恆星用現代天文學命名法稱為半人馬座α A星、B星及C星。

經典力學有個經典的問題「三體問題」，三個經由重力互相吸引的星體的軌道是不會穩定的。咦，這豈不是很奇怪嗎？太陽、地球、月球也是三個星體、甚至太陽系八大行星是九個星體，太陽系各行星的軌道為什麼會穩定？

答案是：太陽系行星的軌道原來並不穩定！事實上「不穩定」的意思是在數學上沒有解析解（close-form solution），以致該系統長遠下去會趨向混沌。因此，我們要問的不是「穩不穩定」，而是「在多久的時間內能維持穩定」。太陽系能維持長時間穩定的行星軌道，是個天文學難題。

Photo Credit: NASA

太陽系內除太陽外最重的星體就是木星，因此擾動各大行星的軌道最大貢獻就是來自於木星。不過，即使木星是最重的行星，其質量亦只有太陽的0.09%，而不同研究指木星對地球和其他行星造成的擾動時間尺度各有不同。有些研究指擾動與太陽系年齡相若，因此太陽系能維持穩定。無論如何，事實是太陽系的穩定程度已足以讓地球在過去幾十億年間演化出生命。

而半人馬座α三星系統亦一樣，雖然在數學上最終都會趨向混沌，但因為其三顆恆星的排列，使它們能維持一段相對長時間的穩定軌道——半人馬座α A和B星以約80年的週期互相環繞共同質心轉動，相距介乎11到36天文單位之間，而C星環繞A、B兩星轉動的軌道則約13,000天文單位遠處，公轉週期長達55萬年。因此可以近乎看成是半人馬座α的（A、B星）與（C星）的雙星系統。

而半人馬座α C星在現階段正好位於靠近太陽系的一邊，因此比其餘二星更接近地球，天文學家就引用王勃的詩句，把它稱為比鄰星。比鄰星是一顆暗淡的紅矮星，至今發現了兩顆行星，叫做比鄰星b和比鄰星c，因此也是最接近地球的兩顆太陽系外行星（exoplanet）。

從我們的太陽飛到比鄰星要多久呢？這要看看它距離我們多遠，以及我們飛得有多快。比鄰星離太陽大約4.24光年遠，光年的意思是光線在一年之中走過的距離。所以，如果我們飛得像光一樣快（一秒鐘能夠環繞地球跑差不多八個圈），我們只需要4.24年就可以飛到比鄰星了。

之不過，人類的科技還未進步得足夠在短時間之間把太空船加速至光速。人類所造迄今最快的太空探測器是美國太空總署的柏克太陽探測器（Parker Solar Probe），它的速度達到時速69萬2千公里！試想像用這個速度從香港出發，只需要67秒就能夠抵達美國紐約！然而，相對於時速10億7千9百萬公里的光速，柏克太陽探測器的速度可只能算是「龜速」，需要飛超過5千8百萬年才能抵達比鄰星。

不過，以上計算都是以地球為準的。可是，愛因斯坦發現的相對論告訴我們，當我們的速度越快，相對於靜止不動的其他人，時間就流逝得越慢。如果我們與柏克一起飛往比鄰星，相對於在留在地球上用望遠鏡看著我們的人，我們可以節省0.0001%的時間，即大約比5千8百萬年提早10年就可以到達了⋯⋯

本文獲授權轉載，題目由編輯稍作修改，原文見作者網頁。

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