《流浪地球2》里，太阳为什么会氦闪？

本文来自微信公众号：地球知识局 （ID：diqiuzhishiju），作者：忘年，原文标题：《吓死了，虚惊一场》，题图来自：《太空旅客》

大年初一，《流浪地球2》强势归来。太阳因为“氦闪”面临毁灭危机，人类不得不建造行星发动机，带着地球逃离太阳引力，寻找新的家园。

看完电影后，或许有人担心太阳突然“氦闪”。事实上，“氦闪”是恒星步入“更年期”的一种现象，而我们的太阳还处于壮年，至少50亿年内不会“氦闪”，大家不必过于担心，该吃吃该喝喝。

这场流浪之旅，将持续两千五百年……

图：《流浪地球》剧照

太阳为什么会“氦闪”？它真的会毁灭地球吗？答案蕴藏在太阳的演化历史中。

当我们回顾恒星波澜壮阔的生命史，就会发现：恒星的一生，自始至终都是一部不断试图挣脱万有引力掌控的抗争史。

流散遍布在银河系中的数十万颗恒星，感受一下，这无可名状的混沌（图：NASA）

缘起：一颗恒星的诞生

138亿年前，我们生活的时间和空间创生于一次“宇宙大爆炸”。在“大爆炸”之后约3分钟内，从真空量子涨落中产生的基本粒子结合成质子、中子，并进一步合成了约75%的氢、25%的氦和极少量的锂、铍。

早期的宇宙，就是这样一片由大量氢和少量氦组成的黑暗的混沌之海，直到第一代恒星从中孕育出来，发出第一缕光。其中，万有引力是诱发这个过程最重要的肇因。

宇宙的进程（图：NASA）

宇宙的混沌之海并非绝对均匀和死寂，在引力的作用下，微小的扰动被慢慢放大，稀疏的地方越来越稀疏，密集的地方越来越密集，逐渐形成了一块块原始的“物质云”。

根据金斯引力不稳定性理论，满足某些条件的云团将继续向中心聚集，进而快速塌缩，形成“原恒星”。

船底座星云恒星形成区NGC 3324，恒星在充满气体和尘埃的“宇宙之海”中诞生（横屏，图：NASA's JWST）

引力导致的塌缩不会一直继续下去。受引力压缩到一定程度的云团愈来愈试图靠自身的压力与之抗衡，却仍然不得不缓慢收缩。但此时，原恒星内部已变得不透明，在星核中，更强大的能源正在默默孕育。

星云L1527中的原恒星（居中粉红色），以及周围形成的尘埃结构（图：Wiki）

再来感受下鹰星云M16，太壮丽了（图：Wiki）

原恒星缓慢收缩过程释放的引力势能，使其中心温度不断升高，10万度、100万度……直到某一刻，在质量足够大的云团中心，温度达到约800万度，氢原子核克服质子之间的库仑斥力结合到一起，由氢聚变为氦的热核反应开始了！

氢核聚变点燃标志着一颗恒星正式形成。从这一刻起，星体将依靠自身的热核反应向外发光发热。

更重要的是，热核聚变使恒星第一次拥有了持续抗衡万有引力的能量，并与之形成一种稳定的“负反馈”机制：若核聚变太强，会使恒星克服引力膨胀，从而降低温度，核反应减弱；反之，若引力战胜了核聚变，使恒星压缩，又会导致温度上升，提高核反应效率。

直到恒星中心的氢燃烧完之前，这一平衡将一直保持，使恒星具有稳定的光度。

比如太阳，它为地球带来了光明与能量，这是生命起源必不可少的因素（图：视觉中国）

氦闪：轰轰烈烈，默默无闻

根据恒星质量（能源储备）与光度（发光功率）的关系，越大的恒星将越快地烧完内部的氢元素。

在那之前，氦能否接过这一重任成了维持恒星生命的希望。但相比于氢，让包含两个质子的氦核克服斥力发生聚变更为困难，氦的燃烧需要等待更高的温度和密度。

一颗接近“生命尽头”的恒星（图：NASA）

随着氢燃烧生成的氦不断积累，形成了一个中心氦核和外层氢继续燃烧的壳层。同原恒星一样，氦核将逐渐无法抵抗自身的引力而向内坍缩。

这一过程释放的引力能，一部分转化为热辐射能，注入到恒星外层，像“吹气球”一样，使恒星剧烈膨胀，而温度降低，颜色变红，这就是红巨星。

红巨星，是恒星的演化的后期阶段（示意图，图：Wiki）

对于太阳来说，这个过程将在约50亿年后到来。到那时，膨胀的太阳半径将直逼地球轨道。如果人类文明仍然存在，类似“流浪地球”的计划将不得不成为现实。

太阳的急速膨胀老化，是这个故事的由头（图：《流浪地球》剧照）

如果恒星中心的氦能够积累到约0.45倍太阳质量的临界值，其核心温度达到约1亿度，氦进一步聚变为重核的反应终于启动。

但这时，恒星内部的密度也达到了前所未有的大小，来自量子世界的神秘力量即将介入这场与引力拉锯的游戏中，为这一发生在恒星内部的角力增加新的不确定性。

这张影像里，成千上万颗恒星在宇宙中闪烁（图：NASA）

在量子力学中，微观粒子根据自旋数被分为两类：自旋为整数的玻色子（如光子）和自旋为半整数的费米子（如电子、中子）。

而费米子存在著名的泡利不相容原理，即在同一个微观量子态下，不可能容纳两个相同的费米子。

于是，在密度足够高而温度相对低的环境中，低能量的量子态被很快挤满，其他粒子迫于这一规则不得不相互排斥，居于更高能量的状态，这一效应导致的压力称作“简并压”。

该原理是微观粒子运动的基本规律之一（图：Wikimedia）

50亿年后，当我们的太阳演化至氦被点燃的阶段，中心的电子已然处于简并状态。此时，氦核的电子简并压取代一般的热压力，成为抵抗万有引力的“主力”。但量子简并压的独特之处在于，它的大小与温度无关。

在这种情况下，前面提到的热核聚变与引力的微妙平衡不复存在——当氦核聚变点燃，核心温度升高，发生绝热膨胀，但简并压力并不随之减小。于是，负反馈变成了正反馈，氦核聚变在更高的温度下加速进行……

于是，被称为“氦闪”的爆炸式能量释放瞬间开启。一颗名为“樱井之星”的白矮星经历氦闪（下方红色区域，图：Wiki）

所幸的是，当温度继续升高，电子将脱离简并状态，普通的热压力随即重新成为主导，温度、压强、热核反应与引力之间的平衡很快再次恢复。因此，“氦闪”往往只会持续几分钟甚至几秒钟，便宣告结束。

想象中的太阳氦闪（图：novaspace.com）

并且，由于“氦闪”发生在恒星的核心处，恒星内部的不透明性，决定了这一剧烈的物理过程不会波及到恒星外围。这只能算作一场借助量子的奇特力量，在恒星内部发起但又很快平息的“起义”。身处外界的我们，实际上难以直接观测到，也难以知晓恒星内部发生“氦闪”的信息。

与《流浪地球》中所描述的不同，我们无需担心太阳“氦闪”对人类造成灾难性的影响，真正的问题却是：我们必须在太阳成为红巨星之前就带着地球逃离现在的轨道。

目前太阳正值壮年，处于主序星阶段，这个阶段大约会持续100亿年（图：Wikimedia）

终极闪耀：困住我的，都将使我更强大

计算表明，对于质量达到太阳的2.3倍以上的恒星，其中心在氦核聚变点燃时，就已经不处于简并状态，氦核将跳过“氦闪”直接开始平稳地燃烧。氦燃烧的产物是碳和氧。

此时，恒星由外向内同时存在氢和氦两个各自燃烧的壳层，而最中心处逐渐形成由碳和氧组成的星核。碳氧核再次收缩与“双壳层燃烧”产生的能量，使恒星表面挣脱引力束缚再次膨胀，成为红超巨星。

比如参宿四（猎户座α），就是一颗红超巨星（图：Wikimedia）

这时的恒星外层已然激荡不安，物质对流剧烈，甚至被强大的星风直接吹到太空中，形成行星状星云。

韦伯望远镜2022年拍摄的南环星云，犹如一块嵌在黑色丝绒上的蓝宝石（图：NASA's JWST）

而中心碳氧星核的命运，即将迎来最后的审判。如果恒星的质量不够大，碳氧核的进一步聚变无法发生。它将留在原地，成为一颗碳氧白矮星。

天狼星A和B，天狼星B是一颗白矮星（左下方小光点，图：NASA）

如果碳氧核再大一些，或者碰巧从附近存在的某颗伴星吸积到更多的质量，达到钱德拉塞卡极限（约1.4倍太阳质量），核反应将再次触发。

但此时，电子简并压再次出现。简并状态的碳氧核爆炸比“氦闪”更为剧烈，顷刻间玉石俱焚。碳和氧在高温高压下被熔炼为更重的元素，又立即随着爆炸被抛撒至太空中。星核以粉身碎骨的代价，彻底摆脱引力的桎梏，释放出最后的光和热。这就是Ia型超新星。

星系NGC 4526的一颗Ia型超新星（图中左下方光点，图：NASA）

G299 Ia型超新星残骸（图：NASA）

如果恒星的质量是太阳的8倍以上，碳氧核脱离电子简并，此时中心温度已达10亿度，碳与氧稳步燃烧，依次合成更重的元素，直到铁。

因为铁的比结合能最高，正常的核聚变到此停止。如果我们此时从恒星表面出发向内漫游，我们能依次看到像洋葱一样的由氢、氦、碳、氖、氧、镁、硅等元素组成的壳层，最终，到达一个高密度的铁核。

在核心塌陷之前，大质量恒星的核心结构（仅示意，未依照比例，图：Wiki）

由于核聚变止步，最后一次引力塌缩无可避免。铁核的塌缩将引爆整个恒星内核，并锻造出比铁更重的元素。这个过程中，还有大量的中微子被释放出来。这类大质量恒星的爆发也称为核坍缩型超新星。

SN 1987A超新星爆发（图：NASA）

最后，受到极致压缩的星核成为一颗密度极高的中子星甚至黑洞。黑洞的引力将无情地吞噬一切，包括光。而中子星再次寻求量子简并压的庇护，但也仅限于自保。

至此，一切可引以为援的能量都已耗尽，再也没有什么力量可以反抗万有引力。所以这一次，是“无期徒刑”。

PSR B0531+21是一颗相当年轻的中子星，它位于蟹状星云之中（图：NASA）

顺便看一下蟹状星云（图：NASA）

恒星诞生于引力的扰动，终其一生都受制于引力的束缚，又借引力起舞，闪耀出宇宙中最绚丽的焰火。它发出的每一缕光，都是与引力抗衡的证明。

但是，真的没有新的希望了吗？

如果中子星保留了磁场和角动量，它将成为一颗脉冲星。脉冲星被喻为“宇宙的灯塔”，它以固定的频率不知疲倦地旋转着，并发出射电脉冲。它就像一座永恒的纪念碑，在脉冲扫过的方向，向宇宙昭示这里曾经存在过的故事。

脉冲星是一种会“眨眼睛”的星星，来自船帆座脉冲星的脉冲循环（图：Wiki）

如今，经过上一代恒星的锻造，宇宙已经准备好了组成我们的身体所必需的一切化学元素。当超新星的余波平息之后，宇宙间的星云将再次被万有引力慢慢召集，氢核与氦核的潜力又一次被唤醒，向宇宙释放出耀眼的光辉。

而在新形成的恒星周围，包含着丰富化学元素的尘埃、气体、游离的电子、横行的光子、磁场、宇宙线……将在电磁及引力的复杂作用下凝结为一颗颗行星。

在天鹅座Sh2-106恒星形成区中，这种史诗般的交汇或许正在上演（横屏，图：NASA）

蜘蛛星云，细腻、未知、诡异（图：NASA）

或许在其中某颗合适行星上，物质会有机地组合在一起，开始自我复制和繁殖。再经过亿万年（这时间在本文中只不过是一瞬间），演化出智慧和文明，并用他们的语言，将他们的行星命名为“地球”，将他们的恒星命名为“太阳”。

而他们所处的太阳系，只是银河系中极小的存在（图：NASA）

如同生命周而复始，本文所讲述的这一壮丽而宏大的故事，既是我们将要发生的未来，也是我们已经发生的过去。

本文来自微信公众号：地球知识局 （ID：diqiuzhishiju），作者：忘年