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科幻小說(shuō)《流浪地球》設(shè)定太陽(yáng)會(huì)在幾百年后發(fā)生氦閃，因此人類(lèi)帶著地球流浪。電影《流浪地球2》將太陽(yáng)發(fā)生氦閃的時(shí)間“提前”到2078年。在現(xiàn)實(shí)中，氦閃會(huì)在幾百年后發(fā)生嗎？如果不會(huì)，地球會(huì)一直安全嗎？如果地球不再安全，人類(lèi)有什么辦法應(yīng)對(duì)？

撰文 | 王善欽

在科幻小說(shuō)《流浪地球》中，太陽(yáng)會(huì)在幾百年后發(fā)生氦閃毀滅地球，為了生存，人類(lèi)用行星發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)地球流浪。電影《流浪地球2》直接將太陽(yáng)發(fā)生氦閃的時(shí)間“提前”到2078年。太陽(yáng)真的會(huì)在幾百年后發(fā)生氦閃嗎？如果不會(huì)，那以后會(huì)發(fā)生嗎？如果短期內(nèi)氦閃不會(huì)發(fā)生，我們還會(huì)遇到其他考驗(yàn)嗎？

太陽(yáng)和日球?qū)犹煳呐_(tái)（SOHO）于2003年10月 28日拍攝的帶有黑子的太陽(yáng)的圖像。圖片來(lái)源：ESA

氦閃：幾十億年后的事情

太陽(yáng)的能源來(lái)自其核心的氫的聚變。氫聚變?yōu)楹?，釋放出的伽瑪射線向外傳播，將經(jīng)過(guò)的物質(zhì)加熱，使太陽(yáng)發(fā)出光芒與熱量。太陽(yáng)內(nèi)部氫聚變的點(diǎn)火溫度約為1500萬(wàn)度。

很多人對(duì)氦閃的誤解是：太陽(yáng)內(nèi)部的氫在聚變?yōu)楹さ倪^(guò)程中發(fā)生氦閃。但實(shí)際上，氦閃是：太陽(yáng)內(nèi)部的氦在聚變?yōu)樘嫉倪^(guò)程中發(fā)生氦閃，而氦聚變需要的溫度大約是1億度。

現(xiàn)在的太陽(yáng)核心還處于氫聚變過(guò)程，必須等到核心氫聚變過(guò)程結(jié)束，才會(huì)啟動(dòng)核心的氦聚變。然后才有氦閃。

根據(jù)計(jì)算，太陽(yáng)核心氫聚變會(huì)持續(xù)大約100億年，而太陽(yáng)才聚變了46億年。因此，在此后至少50多億年之后，核心氫聚變才會(huì)結(jié)束，氦聚變才有可能啟動(dòng)，氦閃才有可能發(fā)生。

所以，要想等到太陽(yáng)氦閃，等50多年不夠，等幾百年也不夠，而是至少要等50多億年。

即使等50多億年，也不會(huì)立即等到氦聚變和氦閃。因?yàn)閺暮诵臍渚圩兘Y(jié)束到核心氦聚變啟動(dòng)，中間還要經(jīng)歷大約10億年的間隔期。

在這10億年中，太陽(yáng)自身的引力壓縮已聚變?yōu)楹さ暮诵?。核心的收縮導(dǎo)致引力勢(shì)能的一部分轉(zhuǎn)化為熱，致使核心越來(lái)越燙，在某個(gè)時(shí)刻讓核心之外的氫發(fā)生聚變，產(chǎn)生的能量加熱了外部物質(zhì)，導(dǎo)致外層膨脹。

這個(gè)過(guò)程不斷進(jìn)行，核心越縮越小、質(zhì)量越來(lái)越大、溫度越來(lái)越高。與此相反，太陽(yáng)核心之外的物質(zhì)層越脹越大、越來(lái)越冷。太陽(yáng)因此先成為橙色的亞巨星，亮度為太陽(yáng)幾十倍；然后逐步成為紅色的紅巨星，亮度達(dá)到太陽(yáng)幾百倍。

太陽(yáng)示意圖（左）與太陽(yáng)成為紅巨星之后（右）的藝術(shù)想象圖。圖片來(lái)源：Department of Physics, NCKU

被高度壓縮的氦核心也開(kāi)始產(chǎn)生明顯變化：由于核心內(nèi)部的電子被壓縮到太接近，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的排斥力。這種斥力不是同種電荷的電荷斥力，而是量子力學(xué)效應(yīng)引起的。[注1]這種斥力被稱(chēng)為“簡(jiǎn)并壓”。這個(gè)階段的氦核，就成為簡(jiǎn)并氦核。

當(dāng)氦核的質(zhì)量達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的0.45倍、氦核中心的溫度達(dá)到大約1億度時(shí)，氦核心啟動(dòng)聚變反應(yīng)，其綜合效果是：三個(gè)氦聚變?yōu)橐粋€(gè)碳。在太陽(yáng)的氦聚變啟動(dòng)前，它已處于簡(jiǎn)并狀態(tài)，這導(dǎo)致氦聚變立即失控。

導(dǎo)致失控聚變的原因是：簡(jiǎn)并氦核的壓強(qiáng)以簡(jiǎn)并壓為主，而簡(jiǎn)并壓對(duì)溫度很不敏感。氦聚變導(dǎo)致氦核溫度快速升高，但氦核的總壓強(qiáng)只輕微增加，因此不會(huì)通過(guò)膨脹來(lái)有效降溫；升高的溫度導(dǎo)致氦聚變速度升高，從而又導(dǎo)致溫度繼續(xù)升高……

這樣就形成一個(gè)正循環(huán)，就像你因?yàn)閷W(xué)習(xí)努力被老師表?yè)P(yáng)，因此更加努力，因此得到老師更多表?yè)P(yáng)，于是瘋狂努力……

這樣的循環(huán)導(dǎo)致氦聚變的功率急劇增加到正常狀態(tài)的千億倍以上，在幾分鐘內(nèi)就把氦核心的6%——整個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的2.7%——燒成碳。這幾秒到幾分鐘的揮霍，就是氦閃。

因此，太陽(yáng)至少得經(jīng)過(guò)60多億年，才有可能發(fā)生氦閃。所以，對(duì)于太陽(yáng)會(huì)在未來(lái)幾十到幾百年發(fā)生氦閃的假定，太陽(yáng)會(huì)直接否認(rèn)三連：我不是，我沒(méi)有，別瞎說(shuō)啊。

太陽(yáng)發(fā)生氦閃后，人類(lèi)也無(wú)法觀測(cè)到劇烈的閃光。因?yàn)楹らW釋放出的能量導(dǎo)致氦核膨脹，膨脹過(guò)程消耗了這些能量，沒(méi)有剩余能量傳遞到太陽(yáng)表面。另一方面，氦核膨脹后從簡(jiǎn)并物質(zhì)變?yōu)槠胀ㄎ镔|(zhì)，此后太陽(yáng)內(nèi)的氦聚變平穩(wěn)進(jìn)行。

因此，太陽(yáng)的氦閃自身是人畜無(wú)害的——假設(shè)太陽(yáng)在成為紅巨星時(shí)，太地球上還有人與畜。所以也根本不存在氦閃立即毀滅人類(lèi)的可能性。人類(lèi)也尚未觀測(cè)到其他恒星核心發(fā)生氦閃導(dǎo)致的短期變化。[注2]

不過(guò)，氦閃還是會(huì)引起長(zhǎng)期變化效應(yīng)。氦核心的迅速膨脹會(huì)導(dǎo)致溫度降低，進(jìn)而導(dǎo)致殼層氫的溫度與壓強(qiáng)也降低，導(dǎo)致紅巨星整體收縮。經(jīng)過(guò)一萬(wàn)年左右，紅巨星的半徑收縮到原來(lái)半徑的2%，亮度降低到原來(lái)的2%，[注3]表面溫度也會(huì)升高一部分，顏色變?yōu)槌赛S色。太陽(yáng)再次成為橙色的亞巨星。

夜空第四亮星——大角（Arcturus）——就是一顆橙黃色的亞巨星。圖片來(lái)源：Greg Parker

換句話(huà)說(shuō)，氦閃不僅不會(huì)使恒星整體膨脹、變亮，反而會(huì)導(dǎo)致恒星整體收縮、變暗。

真正的太陽(yáng)危機(jī)

既然太陽(yáng)的氦閃得等至少60億年，那人類(lèi)就因此高枕無(wú)憂(yōu)了嗎？

并非如此。這是因?yàn)?，除了早期幾億年，太陽(yáng)的亮度在過(guò)去幾十億年的時(shí)間內(nèi)一直在緩慢升高。在太陽(yáng)剛誕生時(shí)，它的亮度大約是現(xiàn)在的85%，然后在此后的幾億年下降到現(xiàn)在的75%，接著在此后至今的約40億年，太陽(yáng)的亮度一直升高到現(xiàn)在的值。今后，太陽(yáng)的亮度會(huì)繼續(xù)上升。在太陽(yáng)的年齡為大約100多億年時(shí)（60億年后），它的亮度將是現(xiàn)在的2倍，如下圖實(shí)線所示。

在過(guò)去的大多數(shù)時(shí)間與未來(lái)的時(shí)間里，太陽(yáng)亮度（實(shí)線）逐漸增加，半徑（長(zhǎng)劃線）逐漸增大，溫度（虛線）在100億年內(nèi)基本不變，100億年之后開(kāi)始降低——成為紅巨星。橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位是10億年；縱坐標(biāo)為亮度，單位是太陽(yáng)現(xiàn)在的亮度。圖片來(lái)源：Ignasi Ribas，arXiv:0911.4872,
doi:10.1017/S1743921309992298, S2CID 119107400

越來(lái)越亮的太陽(yáng)導(dǎo)致地球也越來(lái)越熱。在彗星等天體為早期的地球帶來(lái)大量的水之后，地球上一度有約90%的面積被水覆蓋。隨著太陽(yáng)亮度不斷升高，這一比例降低到現(xiàn)在的約70%。

這是一種漫長(zhǎng)的全球變暖效應(yīng)，但不是因?yàn)槎趸寂欧艑?dǎo)致的，而是太陽(yáng)的亮度變化導(dǎo)致的。

隨著未來(lái)的太陽(yáng)進(jìn)一步變亮，地球也將進(jìn)一步變暖。粗略估計(jì)，十幾或二十幾億年后，地球上的所有地面水都會(huì)被蒸發(fā)為云，且不再下雨，天空全是云。

太陽(yáng)在膨脹為紅巨星的過(guò)程中，更會(huì)因?yàn)槠渚薮蟮牧炼戎苯涌窘沟厍?。氦閃之后，太陽(yáng)從紅巨星收縮為亞巨星，短暫停留后，將重新膨脹為紅巨星甚至紅超巨星，并吞沒(méi)火星與木星。

此后，太陽(yáng)將產(chǎn)生幾次噴發(fā)過(guò)程，噴發(fā)出的物質(zhì)成為行星狀星云，留下來(lái)的核心釋放出的光以X射線與紫外線為主。再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，核心冷卻，成為碳氧白矮星。這個(gè)階段的太陽(yáng)在可見(jiàn)光波段上又太暗了，整個(gè)太陽(yáng)系也將黯淡無(wú)光。

歐洲南方天文臺(tái)（ESO）的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）拍攝的啞鈴星云，它就是一個(gè)行星狀星云。幾十億年后，我們的太陽(yáng)應(yīng)該也會(huì)使這樣子。圖片來(lái)源：European Southern Observatory

人類(lèi)何去何從？

在太陽(yáng)膨脹為紅巨星之前，地球就已有了生存危險(xiǎn)，因?yàn)樘?yáng)亮度上升會(huì)導(dǎo)致的地球溫度升高，從而使地球也越來(lái)越不宜居。

不過(guò)，這個(gè)變化過(guò)程至少要幾億年才會(huì)變得比較顯著，因此人類(lèi)可以在這幾億年想出各種辦法?！拔覀冐?fù)責(zé)想象，有人負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)?！?/p>

首先，人類(lèi)可以移居火星。現(xiàn)在的火星還比較冷。但在太陽(yáng)越來(lái)越亮之后，火星也會(huì)因此升溫。雖然火星大氣稀薄，但那時(shí)候的人類(lèi)應(yīng)該有能力在火星制造出足夠的氧。

其次，建設(shè)若干太空城，并讓它們?cè)谶m當(dāng)?shù)能壍览@太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。

第三，找到圍繞其他恒星的宜居行星，分批遷移。

以上的一些方案并不能一勞永逸。因?yàn)?，在太?yáng)膨脹為紅巨星之后，地球會(huì)被烤焦，火星也將太熱。因此在此之前人類(lèi)要么讓太空城移到更遠(yuǎn)的軌道上圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)，要么移居其他星球。

在太陽(yáng)成為白矮星之后，人類(lèi)可能就只能移居其他星球了。

不過(guò)，太陽(yáng)膨脹為紅巨星并最終成為白矮星，還需要至少60億年，那時(shí)候的人類(lèi)應(yīng)該有能力移居其他星球或想出其他更好的方案。

莊子曾經(jīng)在《逍遙游》里說(shuō)：“朝菌不知晦朔，蟪蛄不知春秋”。人類(lèi)短暫的一生顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于宇宙中的各種天體的年齡；在它們面前，我們的一生的長(zhǎng)短與朝菌（傳說(shuō)中的一種植物，見(jiàn)太陽(yáng)就死）和蟪蛄（一種蟬）的壽命并無(wú)差異。然而，人類(lèi)從開(kāi)始有文字到現(xiàn)在也不過(guò)幾千年時(shí)間，卻已大致破解宇宙與恒星演化的奧秘。我們自然應(yīng)當(dāng)對(duì)我們的后代的智慧與生存技能更有信心。

注釋

[注1]根據(jù)量子力學(xué)中的“泡利不相容原理”，同種費(fèi)米子在過(guò)度接近時(shí)都會(huì)產(chǎn)生這種量子力學(xué)效應(yīng)，從而互相排斥。而電子、質(zhì)子、中子都是費(fèi)米子。例如，白矮星就是一種依靠電子簡(jiǎn)并壓支撐的致密星。

[注2]核心氦閃雖然無(wú)法被觀測(cè)到，但發(fā)生在氦殼層的“殼層氦閃”已經(jīng)被觀測(cè)到，殼層氦閃會(huì)導(dǎo)致恒星亮度在幾天內(nèi)增加100-1000倍，然后再快速下降。

[注3] Taylor, David. The End Of The Sun,

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