從《流浪地球》說太陽的命運(yùn)

文/喬輝

電影《流浪地球》的故事，把有關(guān)太陽演化的話題推到了我們的面前。

從恒星的演化規(guī)律上來講，太陽是會有變成紅巨星的那一天，不過是在遙遠(yuǎn)的50億年之后。簡單來講，當(dāng)太陽核心中的氫聚變殆盡，生成的氦元素在引力的作用下坍縮，釋放的能量進(jìn)一步升高溫度，點(diǎn)燃核心周圍的氫殼層，然后太陽迅速膨脹，成為一顆紅巨星。

有理論認(rèn)為，太陽演化生成的紅巨星非常巨大，最遠(yuǎn)能夠膨脹到地球軌道。這樣，水星、金星和地球都會依次墜入太陽而毀滅。其實(shí)，早在太陽吞噬掉地球之前，地球上的海洋早已被膨脹的紅巨星烤干，生命就不復(fù)存在。

我們可能聽說過各種版本的“世界末日”，但太陽變成紅巨星引起的“世界末日”肯定是必然會發(fā)生的，只是時間問題。

實(shí)際上，從太陽誕生之日起，亮度就在一點(diǎn)點(diǎn)增加?？茖W(xué)家估計，再過10億年地球上的溫度可能就無法適應(yīng)生命生存了。太陽的溫度為什么會逐漸升高呢？這是由于核心的氫聚變后生成的氦逐漸積累，引力收縮使溫度升高，點(diǎn)燃了更大范圍的氫聚變造成的。在過去的45億年里，太陽的亮度大約增加了30%。現(xiàn)在，太陽的亮度大約每1億年亮度增加1%。

當(dāng)考慮到其他的自然和人為災(zāi)難，人類要么早在10億年前就滅亡了，要么早已經(jīng)飛往其他星球了。因此，太陽變成紅巨星并非人類要擔(dān)憂的事情。

恐怖的核心

太陽是太陽系的絕對主宰，質(zhì)量占據(jù)太陽系的99.86%，其余的0.14%構(gòu)成了八大行星、數(shù)顆矮行星、各種小行星以及彗星等等。說到這里，你可能會想到原子核和電子的質(zhì)量之比。計算表明，原子核的質(zhì)量大約占原子質(zhì)量的99.95%，量級還真差不多，非常有趣。

太陽的直徑大約139萬公里，相當(dāng)于地球直徑的109倍，質(zhì)量是地球的33萬倍。表面溫度大約6000度，中心的溫度大約1700萬度，如果從核心取出一塊物質(zhì)，假設(shè)維持在這個溫度上，那么它能夠熔化數(shù)百公里之外的鋼鐵。

太陽核心處發(fā)生著氫聚變成氦的核反應(yīng)，每秒有大約6億噸氫轉(zhuǎn)變?yōu)楹?，功?80億億億瓦，大約相當(dāng)于每秒引爆50000億顆廣島原子彈。

核心產(chǎn)生的能量穿過厚厚的太陽擴(kuò)散至表面，平均要花費(fèi)大約17萬年的時間。我們享受的陽光其實(shí)是在17萬年前太陽核心產(chǎn)生的，那時候現(xiàn)代人類的祖先還沒走出非洲呢。但有一樣?xùn)|西能夠2秒就逃出太陽，再經(jīng)過8分鐘就到達(dá)地球，那就是核反應(yīng)產(chǎn)生的中微子，這是因?yàn)橹形⒆硬粎⑴c電磁相互作用，與物質(zhì)的相互作用非常弱，能夠很快逃出太陽。

中微子攜帶的能量大約是太陽輸出能量的2%，在到達(dá)地球表面時，平均指甲蓋大小的面積上每秒大約有數(shù)百億顆中微子通過。那我們身體為什么沒有被打成篩子呢？還是因?yàn)橹形⒆优c物質(zhì)相互作用非常弱。

▲ 當(dāng)太陽變成紅巨星時的樣子

上面這些天文數(shù)字看起來非?？植?！沒辦法，太陽相對于我們來講真是太大了，但這就是事實(shí)啊，無論你想不想，它都在那里。

幸運(yùn)的是，我們的太陽尚處于中年，已經(jīng)有40億年沒有發(fā)生大的變化了，在主序星的狀態(tài)下還將持續(xù)大約50億年。

“氦閃”并不是太陽膨脹的原因

文章開頭我們提到了太陽演化末期會變成紅巨星，會吞噬掉行星。電影中還提到一個天體物理學(xué)中的名詞“氦閃”，劇本說氦閃之后太陽很快膨脹為一顆紅巨星，真的是這樣嗎？我們再來具體介紹一下。

▲ 太陽的結(jié)構(gòu)

氦閃是發(fā)生在質(zhì)量介于0.5倍到2倍太陽質(zhì)量的恒星演化末期（紅巨星階段）。當(dāng)核心處的氫聚變殆盡，形成的氦堆積在核心處，氦不斷積累自我壓縮，密度增加到一定程度形成“簡并態(tài)”，處于簡并態(tài)的物質(zhì)靠簡并壓（一種量子力學(xué)效應(yīng)）支撐著自身重力，而非靠熱膨脹力支撐。核心處的氦的自我壓縮，還會讓溫度升高，然而簡并態(tài)物質(zhì)有一個奇怪的特性：溫度升高并不會導(dǎo)致其發(fā)生熱膨脹，而且簡并態(tài)物質(zhì)的熱傳導(dǎo)性非常好，當(dāng)溫度一路飆升至1億度時，氦就受不了了，發(fā)生猛烈的熱核聚變，短短幾分鐘就把核心6%的氦元素變成碳元素，對于太陽質(zhì)量的恒星來講，氦閃釋放的能量相當(dāng)于太陽正常聚變3000萬年。

▲ 這是目前的太陽和變成紅巨星時候的太陽的大小比較

然而，據(jù)計算，如此巨大的能量釋放并不會對紅巨星的外觀造成什么可觀測的影響，因?yàn)檫@種能量釋放發(fā)生在恒星的深處，巨大的能量釋放讓熱膨脹力超過簡并壓，核心物質(zhì)脫離簡并態(tài)而膨脹，大部分能量都耗費(fèi)在驅(qū)動核心物質(zhì)膨脹當(dāng)中，剩余的少部分能量被厚厚的外殼吸收。實(shí)際上，并不會發(fā)生電影中提到的劇烈景象。

氦閃之后，核心進(jìn)入平穩(wěn)的氦聚變階段。此時，有兩個能源在給太陽提供能量：一個是中心的氦聚變，一個是殼層中的氫聚變。但是，氦閃釋放的能量使中心膨脹，反而降低了上面氫殼層受的壓強(qiáng)和溫度，降低了殼層中氫聚變的速率。計算表明，此時太陽總體的能量輸出反而是降低的，太陽無法維持在紅巨星狀態(tài)，經(jīng)過短短的1萬年時間，體積和亮度都變?yōu)榧t巨星的2%。因此，氦閃非但不是太陽變成紅巨星的驅(qū)動力，反而是紅巨星的殺手。

質(zhì)量小于0.5倍太陽的恒星中心達(dá)不到發(fā)生氦閃的溫度，而質(zhì)量大于2倍太陽的恒星，核心積累的氦在未形成簡并態(tài)之前就被點(diǎn)燃了，發(fā)生的是穩(wěn)定的氦聚變，沒有氦閃。獵戶座中大名鼎鼎的“參宿四”就是一顆質(zhì)量是太陽10倍的紅巨星，核心正在發(fā)生氦平穩(wěn)聚變成碳的過程。

對于恒星的演化而言，質(zhì)量幾乎決定一切，當(dāng)然還要考慮其金屬豐度。

太陽的歸宿

▲ 太陽從主序星膨脹為紅巨星，最后揮灑成美麗的行星狀星云的過程

氦閃之后的太陽，隨著核心物質(zhì)中的氦聚變成碳，由碳形成的核心質(zhì)量增加體積收縮，釋放的能量進(jìn)一步點(diǎn)燃碳核周圍的氦。此時，變成了氦殼層和在其之上的氫殼層的雙殼層核聚變，能量輸出增加，把太陽重新吹成一個更大的紅巨星。此時的紅巨星不太穩(wěn)定，經(jīng)常發(fā)生脈動膨脹丟失外層物質(zhì)。

計算表明，太陽演化末期，大約丟失接近一半的物質(zhì)。中心剩余的物質(zhì)變成致密的白矮星，丟失的物質(zhì)變成圍繞白矮星的美麗行星狀星云。

白矮星的質(zhì)量從0.17個太陽到1.33個太陽都有，但0.6個太陽質(zhì)量的白矮星最常見，太陽最終形成的白矮星大約就是這個質(zhì)量。白矮星的體積相對很小，僅與地球相當(dāng)，卻擁有太陽般的質(zhì)量，是什么力量與巨大的引力抗衡呢？答案又是我們上面提到的“簡并壓”。簡單計算表明，白矮星的密度非常巨大，平均每立方厘米的物質(zhì)重達(dá)1噸，是宇宙中密度僅次于中子星的天體。

太陽演化末期形成的白矮星由碳和氧組成，由于核心的溫度不能使碳和氧繼續(xù)聚變，因此白矮星只靠余熱發(fā)光了，但表面的溫度可高達(dá)10萬度。當(dāng)白矮星的余熱耗盡后，就會變成一顆不發(fā)光的黑矮星。但白矮星的冷卻時間很長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于當(dāng)今宇宙的年齡（138億年），因此，到目前為止，宇宙中還不存在黑矮星。

▲ 這是位于2300光年之外的著名行星狀星云——環(huán)狀星云

圍繞白矮星的行星狀星云以每秒數(shù)公里的速度擴(kuò)散，當(dāng)擴(kuò)散到比較遠(yuǎn)的距離時，中心白矮星發(fā)出的紫外輻射已經(jīng)無法使其電離，星云就逐漸淡出人們的視線。行星狀星云的壽命平均來講只有1萬年，相對于恒星的演化時間來講，已經(jīng)非常短暫了。

我們“身邊”的白矮星

▲ 天狼星和白矮星伴星

▲ 著名的蟹狀星云。它是由一顆恒星發(fā)生超新星爆炸形成的

▲ 位于獵戶座之肩的參宿四，這是一顆核心正在聚變氦的紅巨星。如果把這顆恒星放在太陽的位置，表面甚至可以觸達(dá)木星軌道

天空中最亮的恒星是天狼星，距離地球8.7光年。天狼星如何尋找呢？很容易。冬季星空最顯著的星座是獵戶座，在離獵戶座很近的地方有一顆發(fā)出幽幽藍(lán)光的恒星就是天狼星，質(zhì)量大約是太陽的兩倍。

離地球最近的白矮星，也是第一顆被發(fā)現(xiàn)的白矮星就是天狼星的小伙伴，被稱為“天狼星B”。因此，天狼星又被稱為“天狼星A”。天狼星B的質(zhì)量相當(dāng)于太陽，體積卻是地球大小。兩者相互公轉(zhuǎn)的軌道周期為50年。由于白矮星暗淡的光芒掩蓋在了天狼星強(qiáng)烈的光芒之下，特別是在望遠(yuǎn)鏡技術(shù)不發(fā)達(dá)的年代，很難直接觀測到這顆白矮星。最初，天文學(xué)家是根據(jù)天狼星的晃動推測出存在一個看不見的伴星，直到1862年才被當(dāng)時美國最大的望遠(yuǎn)鏡直接觀測到。

質(zhì)量左右恒星的演化

恒星質(zhì)量越大，聚變得越快，壽命也就越短。我們太陽的壽命大約100億年，而1.5倍太陽質(zhì)量的恒星壽命則縮短為30億年，而像獵戶座中的那顆紅巨星參宿四，質(zhì)量是太陽的10倍，壽命僅僅3200萬年，也就是說，當(dāng)恐龍漫步在地球上的時候，這顆恒星尚未形成。

不同質(zhì)量的恒星最終命運(yùn)不盡相同，計算表明：

1.質(zhì)量是太陽0.35倍以下的恒星，稱為紅矮星，壽命至少有萬億年，因此，當(dāng)今宇宙中還不存在年老的紅矮星。

2.質(zhì)量是太陽0.8倍至8倍質(zhì)量的恒星，最終的命運(yùn)與太陽類似，基本都是中心形成一顆白矮星，外加美麗的行星狀星云。

3.質(zhì)量是太陽8倍至30倍（有一定不確定性）的恒星，最終會發(fā)生超新星爆發(fā)，中心留下一顆致密的中子星，外加美麗的超新星遺跡。著名的“蟹狀星云”就是公元1054年爆炸的一顆超新星形成的，當(dāng)時宋朝的史書上非常細(xì)致地記錄了那次超新星爆發(fā)。1968年，天文學(xué)家確認(rèn)在蟹狀星云中心有有一顆中子星。中子星的密度更大，平均每立方厘米的物質(zhì)重達(dá)1億噸，比全中國人加起來的重量還要多些。

4.質(zhì)量是太陽30倍以上恒星，演化到最后，核心物質(zhì)可以直接變成黑洞，然后外部物質(zhì)落入黑洞中，如果恒星初始的角動量很大，可能會伴隨有伽馬射線暴（GRB）現(xiàn)象。

以上關(guān)于恒星演化末期的描述是粗線條的，因?yàn)槌速|(zhì)量之外，恒星的組成成分、周圍環(huán)境以及角動量的多少都對恒星的演化有影響。當(dāng)然，還有很多尚未真正解決的問題還在繼續(xù)研究。