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2023-02-16 23:46
《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

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