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2023-02-14 12:06

如果地球不毁灭于氦闪,那它将毁灭于什么?

本文来自微信公众号:返朴 (ID:fanpu2019),作者:王善钦,头图来自:《流浪地球》剧照


在科幻小说《流浪地球》中,太阳会在几百年后发生氦闪毁灭地球,为了生存,人类用行星发动机推动地球流浪。电影《流浪地球2》直接将太阳发生氦闪的时间“提前”到2078年。太阳真的会在几百年后发生氦闪吗?如果不会,那以后会发生吗?如果短期内氦闪不会发生,我们还会遇到其他考验吗?


太阳和日球层天文台(SOHO)于2003年10月 28日拍摄的带有黑子的太阳的图像。图片来源:ESA


氦闪:几十亿年后的事情


太阳的能源来自其核心的氢的聚变。氢聚变为氦,释放出的伽玛射线向外传播,将经过的物质加热,使太阳发出光芒与热量。太阳内部氢聚变的点火温度约为1500万度。


很多人对氦闪的误解是:太阳内部的氢在聚变为氦的过程中发生氦闪。但实际上,氦闪是:太阳内部的氦在聚变为碳的过程中发生氦闪,而氦聚变需要的温度大约是1亿度。


现在的太阳核心还处于氢聚变过程,必须等到核心氢聚变过程结束,才会启动核心的氦聚变。然后才有氦闪。


根据计算,太阳核心氢聚变会持续大约100亿年,而太阳才聚变了46亿年。因此,在此后至少50多亿年之后,核心氢聚变才会结束,氦聚变才有可能启动,氦闪才有可能发生。


所以,要想等到太阳氦闪,等50多年不够,等几百年也不够,而是至少要等50多亿年。


即使等50多亿年,也不会立即等到氦聚变和氦闪。因为从核心氢聚变结束到核心氦聚变启动,中间还要经历大约10亿年的间隔期。


在这10亿年中,太阳自身的引力压缩已聚变为氦的核心。核心的收缩导致引力势能的一部分转化为热,致使核心越来越烫,在某个时刻让核心之外的氢发生聚变,产生的能量加热了外部物质,导致外层膨胀。


这个过程不断进行,核心越缩越小、质量越来越大、温度越来越高。与此相反,太阳核心之外的物质层越胀越大、越来越冷。太阳因此先成为橙色的亚巨星,亮度为太阳几十倍;然后逐步成为红色的红巨星,亮度达到太阳几百倍。


太阳示意图(左)与太阳成为红巨星之后(右)的艺术想象图。图片来源:Department of Physics, NCKU


被高度压缩的氦核心也开始产生明显变化:由于核心内部的电子被压缩到太接近,产生了强烈的排斥力。这种斥力不是同种电荷的电荷斥力,而是量子力学效应引起的。[注1]这种斥力被称为“简并压”。这个阶段的氦核,就成为简并氦核。


当氦核的质量达到太阳质量的0.45倍、氦核中心的温度达到大约1亿度时,氦核心启动聚变反应,其综合效果是:三个氦聚变为一个碳。在太阳的氦聚变启动前,它已处于简并状态,这导致氦聚变立即失控。


导致失控聚变的原因是:简并氦核的压强以简并压为主,而简并压对温度很不敏感。氦聚变导致氦核温度快速升高,但氦核的总压强只轻微增加,因此不会通过膨胀来有效降温;升高的温度导致氦聚变速度升高,从而又导致温度继续升高……


这样就形成一个正循环,就像你因为学习努力被老师表扬,因此更加努力,因此得到老师更多表扬,于是疯狂努力……


这样的循环导致氦聚变的功率急剧增加到正常状态的千亿倍以上,在几分钟内就把氦核心的6%——整个太阳质量的2.7%——烧成碳。这几秒到几分钟的挥霍,就是氦闪。


因此,太阳至少得经过60多亿年,才有可能发生氦闪。所以,对于太阳会在未来几十到几百年发生氦闪的假定,太阳会直接否认三连:我不是,我没有,别瞎说啊。



太阳发生氦闪后,人类也无法观测到剧烈的闪光。因为氦闪释放出的能量导致氦核膨胀,膨胀过程消耗了这些能量,没有剩余能量传递到太阳表面。另一方面,氦核膨胀后从简并物质变为普通物质,此后太阳内的氦聚变平稳进行。


因此,太阳的氦闪自身是人畜无害的——假设太阳在成为红巨星时,太地球上还有人与畜。所以也根本不存在氦闪立即毁灭人类的可能性。人类也尚未观测到其他恒星核心发生氦闪导致的短期变化。[注2]    


不过,氦闪还是会引起长期变化效应。氦核心的迅速膨胀会导致温度降低,进而导致壳层氢的温度与压强也降低,导致红巨星整体收缩。经过一万年左右,红巨星的半径收缩到原来半径的2%,亮度降低到原来的2%,[注3]表面温度也会升高一部分,颜色变为橙黄色。太阳再次成为橙色的亚巨星。


夜空第四亮星——大角(Arcturus)——就是一颗橙黄色的亚巨星。图片来源:Greg Parker


换句话说,氦闪不仅不会使恒星整体膨胀、变亮,反而会导致恒星整体收缩、变暗。


真正的太阳危机


既然太阳的氦闪得等至少60亿年,那人类就因此高枕无忧了吗?


并非如此。这是因为,除了早期几亿年,太阳的亮度在过去几十亿年的时间内一直在缓慢升高。在太阳刚诞生时,它的亮度大约是现在的85%,然后在此后的几亿年下降到现在的75%,接着在此后至今的约40亿年,太阳的亮度一直升高到现在的值。今后,太阳的亮度会继续上升。在太阳的年龄为大约100多亿年时(60亿年后),它的亮度将是现在的2倍,如下图实线所示。


在过去的大多数时间与未来的时间里,太阳亮度(实线)逐渐增加,半径(长划线)逐渐增大,温度(虚线)在100亿年内基本不变,100亿年之后开始降低——成为红巨星。横坐标为时间,单位是10亿年;纵坐标为亮度,单位是太阳现在的亮度。图片来源:Ignasi Ribas,arXiv:0911.4872, doi:10.1017/S1743921309992298, S2CID 119107400


越来越亮的太阳导致地球也越来越热。在彗星等天体为早期的地球带来大量的水之后,地球上一度有约90%的面积被水覆盖。随着太阳亮度不断升高,这一比例降低到现在的约70%。


这是一种漫长的全球变暖效应,但不是因为二氧化碳排放导致的,而是太阳的亮度变化导致的。


随着未来的太阳进一步变亮,地球也将进一步变暖。粗略估计,十几或二十几亿年后,地球上的所有地面水都会被蒸发为云,且不再下雨,天空全是云。


太阳在膨胀为红巨星的过程中,更会因为其巨大的亮度直接烤焦地球。氦闪之后,太阳从红巨星收缩为亚巨星,短暂停留后,将重新膨胀为红巨星甚至红超巨星,并吞没火星与木星。


此后,太阳将产生几次喷发过程,喷发出的物质成为行星状星云,留下来的核心释放出的光以X射线与紫外线为主。再经过一段时间,核心冷却,成为碳氧白矮星。这个阶段的太阳在可见光波段上又太暗了,整个太阳系也将黯淡无光。


欧洲南方天文台(ESO)的甚大望远镜(VLT)拍摄的哑铃星云,它就是一个行星状星云。几十亿年后,我们的太阳应该也会使这样子。图片来源:European Southern Observatory


人类何去何从?


在太阳膨胀为红巨星之前,地球就已有了生存危险,因为太阳亮度上升会导致的地球温度升高,从而使地球也越来越不宜居。


不过,这个变化过程至少要几亿年才会变得比较显著,因此人类可以在这几亿年想出各种办法。“我们负责想象,有人负责实现。”


首先,人类可以移居火星。现在的火星还比较冷。但在太阳越来越亮之后,火星也会因此升温。虽然火星大气稀薄,但那时候的人类应该有能力在火星制造出足够的氧。


其次,建设若干太空城,并让它们在适当的轨道绕太阳公转。


第三,找到围绕其他恒星的宜居行星,分批迁移。


以上的一些方案并不能一劳永逸。因为,在太阳膨胀为红巨星之后,地球会被烤焦,火星也将太热。因此在此之前人类要么让太空城移到更远的轨道上围绕太阳运转,要么移居其他星球。


在太阳成为白矮星之后,人类可能就只能移居其他星球了。


不过,太阳膨胀为红巨星并最终成为白矮星,还需要至少60亿年,那时候的人类应该有能力移居其他星球或想出其他更好的方案。


庄子曾经在《逍遥游》里说:“朝菌不知晦朔,蟪蛄不知春秋”。人类短暂的一生显然远远短于宇宙中的各种天体的年龄;在它们面前,我们的一生的长短与朝菌(传说中的一种植物,见太阳就死)和蟪蛄(一种蝉)的寿命并无差异。然而,人类从开始有文字到现在也不过几千年时间,却已大致破解宇宙与恒星演化的奥秘。我们自然应当对我们的后代的智慧与生存技能更有信心。


注释

[注1]根据量子力学中的“泡利不相容原理”,同种费米子在过度接近时都会产生这种量子力学效应,从而互相排斥。而电子、质子、中子都是费米子。例如,白矮星就是一种依靠电子简并压支撑的致密星。

[注2]核心氦闪虽然无法被观测到,但发生在氦壳层的“壳层氦闪”已经被观测到,壳层氦闪会导致恒星亮度在几天内增加100-1000倍,然后再快速下降。

[注3] Taylor, David. The End Of The Sun,  https://faculty.wcas.northwestern.edu/infocom/The%20Website/end.html


本文来自微信公众号:返朴 (ID:fanpu2019),作者:王善钦

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