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科幻小說(shuō)《流浪地球》設定太陽(yáng)會(huì )在幾百年后發(fā)生氦閃，因此人類(lèi)帶著(zhù)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)有什么辦法應對？

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？如果短期內氦閃不會(huì )發(fā)生，我們還會(huì )遇到其他考驗嗎？

太陽(yáng)和日球層天文臺（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(xiàn)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)內部氫聚變的點(diǎn)火溫度約為1500萬(wàn)度。

很多人對氦閃的誤解是：太陽(yáng)內部的氫在聚變?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)程結束，才會(huì )啟動(dòng)核心的氦聚變。然后才有氦閃。

根據計算，太陽(yáng)核心氫聚變會(huì )持續大約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。因為從核心氫聚變結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?。核心的收縮導致引力勢能的一部分轉化為熱，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：由于核心內部的電子被壓縮到太接近，產(chǎn)生了強烈的排斥力。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。

當氦核的質(zhì)量達到太陽(yáng)質(zhì)量的0.45倍、氦核中心的溫度達到大約1億度時(shí)，氦核心啟動(dòng)聚變反應，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)，這導致氦聚變立即失控。

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

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

這樣的循環(huán)導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(guān)測到劇烈的閃光。因為氦閃釋放出的能量導致氦核膨脹，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)內的氦聚變平穩進(jìn)行。

因此，太陽(yáng)的氦閃自身是人畜無(wú)害的——假設太陽(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(guān)測到其他恒星核心發(fā)生氦閃導致的短期變化。[注2]

不過(guò)，氦閃還是會(huì )引起長(cháng)期變化效應。氦核心的迅速膨脹會(huì )導致溫度降低，進(jìn)而導致殼層氫的溫度與壓強也降低，導致紅巨星整體收縮。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 )導致恒星整體收縮、變暗。

真正的太陽(yáng)危機

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。這是因為，除了早期幾億年，太陽(yáng)的亮度在過(guò)去幾十億年的時(shí)間內一直在緩慢升高。在太陽(yáng)剛誕生時(shí)，它的亮度大約是現在的85%，然后在此后的幾億年下降到現在的75%，接著(zhù)在此后至今的約40億年，太陽(yáng)的亮度一直升高到現在的值。今后，太陽(yáng)的亮度會(huì )繼續上升。在太陽(yáng)的年齡為大約100多億年時(shí)（60億年后），它的亮度將是現在的2倍，如下圖實(shí)線(xiàn)所示。

在過(guò)去的大多數時(shí)間與未來(lái)的時(shí)間里，太陽(yáng)亮度（實(shí)線(xiàn)）逐漸增加，半徑（長(cháng)劃線(xiàn)）逐漸增大，溫度（虛線(xiàn)）在100億年內基本不變，100億年之后開(kāi)始降低——成為紅巨星。橫坐標為時(shí)間，單位是10億年；縱坐標為亮度，單位是太陽(yáng)現在的亮度。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(zhù)太陽(yáng)亮度不斷升高，這一比例降低到現在的約70%。

這是一種漫長(cháng)的全球變暖效應，但不是因為二氧化碳排放導致的，而是太陽(yáng)的亮度變化導致的。

隨著(zhù)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，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 )因為其巨大的亮度直接烤焦地球。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(xiàn)與紫外線(xiàn)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（ESO）的甚大望遠鏡（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，因為太陽(yáng)亮度上升會(huì )導致的地球溫度升高，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(zhù)，因此人類(lèi)可以在這幾億年想出各種辦法?！拔覀冐撠熛胂?，有人負責實(shí)現?！?/p>

首先，人類(lèi)可以移居火星?，F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)應該有能力在火星制造出足夠的氧。

其次，建設若干太空城，并讓它們在適當的軌道繞太陽(yáng)公轉。

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。因為，在太陽(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的軌道上圍繞太陽(yáng)運轉，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)短暫的一生顯然遠遠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(cháng)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。我們自然應當對我們的后代的智慧與生存技能更有信心。

注釋

[注1]根據量子力學(xué)中的“泡利不相容原理”，同種費米子在過(guò)度接近時(shí)都會(huì )產(chǎn)生這種量子力學(xué)效應，從而互相排斥。而電子、質(zhì)子、中子都是費米子。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(guān)測到，但發(fā)生在氦殼層的“殼層氦閃”已經(jīng)被觀(guān)測到，殼層氦閃會(huì )導致恒星亮度在幾天內增加100-1000倍，然后再快速下降。

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

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