从《流浪地球》说太阳的命运

文/乔辉

电影《流浪地球》的故事，把有关太阳演化的话题推到了我们的面前。

从恒星的演化规律上来讲，太阳是会有变成红巨星的那一天，不过是在遥远的50亿年之后。简单来讲，当太阳核心中的氢聚变殆尽，生成的氦元素在引力的作用下坍缩，释放的能量进一步升高温度，点燃核心周围的氢壳层，然后太阳迅速膨胀，成为一颗红巨星。

有理论认为，太阳演化生成的红巨星非常巨大，最远能够膨胀到地球轨道。这样，水星、金星和地球都会依次坠入太阳而毁灭。其实，早在太阳吞噬掉地球之前，地球上的海洋早已被膨胀的红巨星烤干，生命就不复存在。

我们可能听说过各种版本的“世界末日”，但太阳变成红巨星引起的“世界末日”肯定是必然会发生的，只是时间问题。

实际上，从太阳诞生之日起，亮度就在一点点增加。科学家估计，再过10亿年地球上的温度可能就无法适应生命生存了。太阳的温度为什么会逐渐升高呢？这是由于核心的氢聚变后生成的氦逐渐积累，引力收缩使温度升高，点燃了更大范围的氢聚变造成的。在过去的45亿年里，太阳的亮度大约增加了30%。现在，太阳的亮度大约每1亿年亮度增加1%。

当考虑到其他的自然和人为灾难，人类要么早在10亿年前就灭亡了，要么早已经飞往其他星球了。因此，太阳变成红巨星并非人类要担忧的事情。

恐怖的核心

太阳是太阳系的绝对主宰，质量占据太阳系的99.86%，其余的0.14%构成了八大行星、数颗矮行星、各种小行星以及彗星等等。说到这里，你可能会想到原子核和电子的质量之比。计算表明，原子核的质量大约占原子质量的99.95%，量级还真差不多，非常有趣。

太阳的直径大约139万公里，相当于地球直径的109倍，质量是地球的33万倍。表面温度大约6000度，中心的温度大约1700万度，如果从核心取出一块物质，假设维持在这个温度上，那么它能够熔化数百公里之外的钢铁。

太阳核心处发生着氢聚变成氦的核反应，每秒有大约6亿吨氢转变为氦，功率380亿亿亿瓦，大约相当于每秒引爆50000亿颗广岛原子弹。

核心产生的能量穿过厚厚的太阳扩散至表面，平均要花费大约17万年的时间。我们享受的阳光其实是在17万年前太阳核心产生的，那时候现代人类的祖先还没走出非洲呢。但有一样东西能够2秒就逃出太阳，再经过8分钟就到达地球，那就是核反应产生的中微子，这是因为中微子不参与电磁相互作用，与物质的相互作用非常弱，能够很快逃出太阳。

中微子携带的能量大约是太阳输出能量的2%，在到达地球表面时，平均指甲盖大小的面积上每秒大约有数百亿颗中微子通过。那我们身体为什么没有被打成筛子呢？还是因为中微子与物质相互作用非常弱。

▲ 当太阳变成红巨星时的样子

上面这些天文数字看起来非常恐怖！没办法，太阳相对于我们来讲真是太大了，但这就是事实啊，无论你想不想，它都在那里。

幸运的是，我们的太阳尚处于中年，已经有40亿年没有发生大的变化了，在主序星的状态下还将持续大约50亿年。

“氦闪”并不是太阳膨胀的原因

文章开头我们提到了太阳演化末期会变成红巨星，会吞噬掉行星。电影中还提到一个天体物理学中的名词“氦闪”，剧本说氦闪之后太阳很快膨胀为一颗红巨星，真的是这样吗？我们再来具体介绍一下。

▲ 太阳的结构

氦闪是发生在质量介于0.5倍到2倍太阳质量的恒星演化末期（红巨星阶段）。当核心处的氢聚变殆尽，形成的氦堆积在核心处，氦不断积累自我压缩，密度增加到一定程度形成“简并态”，处于简并态的物质靠简并压（一种量子力学效应）支撑着自身重力，而非靠热膨胀力支撑。核心处的氦的自我压缩，还会让温度升高，然而简并态物质有一个奇怪的特性：温度升高并不会导致其发生热膨胀，而且简并态物质的热传导性非常好，当温度一路飙升至1亿度时，氦就受不了了，发生猛烈的热核聚变，短短几分钟就把核心6%的氦元素变成碳元素，对于太阳质量的恒星来讲，氦闪释放的能量相当于太阳正常聚变3000万年。

▲ 这是目前的太阳和变成红巨星时候的太阳的大小比较

然而，据计算，如此巨大的能量释放并不会对红巨星的外观造成什么可观测的影响，因为这种能量释放发生在恒星的深处，巨大的能量释放让热膨胀力超过简并压，核心物质脱离简并态而膨胀，大部分能量都耗费在驱动核心物质膨胀当中，剩余的少部分能量被厚厚的外壳吸收。实际上，并不会发生电影中提到的剧烈景象。

氦闪之后，核心进入平稳的氦聚变阶段。此时，有两个能源在给太阳提供能量：一个是中心的氦聚变，一个是壳层中的氢聚变。但是，氦闪释放的能量使中心膨胀，反而降低了上面氢壳层受的压强和温度，降低了壳层中氢聚变的速率。计算表明，此时太阳总体的能量输出反而是降低的，太阳无法维持在红巨星状态，经过短短的1万年时间，体积和亮度都变为红巨星的2%。因此，氦闪非但不是太阳变成红巨星的驱动力，反而是红巨星的杀手。

质量小于0.5倍太阳的恒星中心达不到发生氦闪的温度，而质量大于2倍太阳的恒星，核心积累的氦在未形成简并态之前就被点燃了，发生的是稳定的氦聚变，没有氦闪。猎户座中大名鼎鼎的“参宿四”就是一颗质量是太阳10倍的红巨星，核心正在发生氦平稳聚变成碳的过程。

对于恒星的演化而言，质量几乎决定一切，当然还要考虑其金属丰度。

太阳的归宿

▲ 太阳从主序星膨胀为红巨星，最后挥洒成美丽的行星状星云的过程

氦闪之后的太阳，随着核心物质中的氦聚变成碳，由碳形成的核心质量增加体积收缩，释放的能量进一步点燃碳核周围的氦。此时，变成了氦壳层和在其之上的氢壳层的双壳层核聚变，能量输出增加，把太阳重新吹成一个更大的红巨星。此时的红巨星不太稳定，经常发生脉动膨胀丢失外层物质。

计算表明，太阳演化末期，大约丢失接近一半的物质。中心剩余的物质变成致密的白矮星，丢失的物质变成围绕白矮星的美丽行星状星云。

白矮星的质量从0.17个太阳到1.33个太阳都有，但0.6个太阳质量的白矮星最常见，太阳最终形成的白矮星大约就是这个质量。白矮星的体积相对很小，仅与地球相当，却拥有太阳般的质量，是什么力量与巨大的引力抗衡呢？答案又是我们上面提到的“简并压”。简单计算表明，白矮星的密度非常巨大，平均每立方厘米的物质重达1吨，是宇宙中密度仅次于中子星的天体。

太阳演化末期形成的白矮星由碳和氧组成，由于核心的温度不能使碳和氧继续聚变，因此白矮星只靠余热发光了，但表面的温度可高达10万度。当白矮星的余热耗尽后，就会变成一颗不发光的黑矮星。但白矮星的冷却时间很长，远远长于当今宇宙的年龄（138亿年），因此，到目前为止，宇宙中还不存在黑矮星。

▲ 这是位于2300光年之外的著名行星状星云——环状星云

围绕白矮星的行星状星云以每秒数公里的速度扩散，当扩散到比较远的距离时，中心白矮星发出的紫外辐射已经无法使其电离，星云就逐渐淡出人们的视线。行星状星云的寿命平均来讲只有1万年，相对于恒星的演化时间来讲，已经非常短暂了。

我们“身边”的白矮星

▲ 天狼星和白矮星伴星

▲ 著名的蟹状星云。它是由一颗恒星发生超新星爆炸形成的

▲ 位于猎户座之肩的参宿四，这是一颗核心正在聚变氦的红巨星。如果把这颗恒星放在太阳的位置，表面甚至可以触达木星轨道

天空中最亮的恒星是天狼星，距离地球8.7光年。天狼星如何寻找呢？很容易。冬季星空最显著的星座是猎户座，在离猎户座很近的地方有一颗发出幽幽蓝光的恒星就是天狼星，质量大约是太阳的两倍。

离地球最近的白矮星，也是第一颗被发现的白矮星就是天狼星的小伙伴，被称为“天狼星B”。因此，天狼星又被称为“天狼星A”。天狼星B的质量相当于太阳，体积却是地球大小。两者相互公转的轨道周期为50年。由于白矮星暗淡的光芒掩盖在了天狼星强烈的光芒之下，特别是在望远镜技术不发达的年代，很难直接观测到这颗白矮星。最初，天文学家是根据天狼星的晃动推测出存在一个看不见的伴星，直到1862年才被当时美国最大的望远镜直接观测到。

质量左右恒星的演化

恒星质量越大，聚变得越快，寿命也就越短。我们太阳的寿命大约100亿年，而1.5倍太阳质量的恒星寿命则缩短为30亿年，而像猎户座中的那颗红巨星参宿四，质量是太阳的10倍，寿命仅仅3200万年，也就是说，当恐龙漫步在地球上的时候，这颗恒星尚未形成。

不同质量的恒星最终命运不尽相同，计算表明：

1.质量是太阳0.35倍以下的恒星，称为红矮星，寿命至少有万亿年，因此，当今宇宙中还不存在年老的红矮星。

2.质量是太阳0.8倍至8倍质量的恒星，最终的命运与太阳类似，基本都是中心形成一颗白矮星，外加美丽的行星状星云。

3.质量是太阳8倍至30倍（有一定不确定性）的恒星，最终会发生超新星爆发，中心留下一颗致密的中子星，外加美丽的超新星遗迹。著名的“蟹状星云”就是公元1054年爆炸的一颗超新星形成的，当时宋朝的史书上非常细致地记录了那次超新星爆发。1968年，天文学家确认在蟹状星云中心有有一颗中子星。中子星的密度更大，平均每立方厘米的物质重达1亿吨，比全中国人加起来的重量还要多些。

4.质量是太阳30倍以上恒星，演化到最后，核心物质可以直接变成黑洞，然后外部物质落入黑洞中，如果恒星初始的角动量很大，可能会伴随有伽马射线暴（GRB）现象。

以上关于恒星演化末期的描述是粗线条的，因为除了质量之外，恒星的组成成分、周围环境以及角动量的多少都对恒星的演化有影响。当然，还有很多尚未真正解决的问题还在继续研究。