当太阳变成红巨星

〔美〕菲利普·布雷特

作为普通恒星的太阳

太阳的年龄：46亿岁

（从现在起+0岁）

太阳目前正值中年：它差不多有46亿岁，还能够以一颗普通恒星的身份存活大概五六十亿年。它正在其内核稳定地把氢聚变为氦，过一段时间，氦成为太阳内核的主要成分。不过即使在这样极端的条件下，氦也无法聚变为碳和氧。惰性氦在太阳的内核不断“堆积”（为了形象，我们使用堆积这个词，实际上，内核中的物质还是表现得像一种气体，并且遵循气体的物理规律）。随着氦的积累，内核的密度增加，温度上升——受到压缩的气体会升温。这些热量必须有个去处，因此它辐射进上层并最终以光的形式离开太阳。

这个过程自从46亿年前太阳内核中的聚变反应被激活时就一直持续着。一直以来，太阳的内核随着氦的堆积和挤压在缓慢地升温。这个能量会经过表面散发出去，因此随着内核的升温，太阳越来越明亮。和剛开始发生聚变反应时相比，太阳的亮度提高了40％左右……而且，随着更多的氦“砸”进它的心脏，太阳还会持续变亮。

变亮的太阳

太阳的年龄：57～81亿岁

（从现在起+11～35亿年）

太阳亮度的不断增加是个问题。地球之所以能有今天的温度，是由于它只截取了太阳发出能量的一部分。额外的能量意味着额外的热度，这会使得地球升温。由于目前对于全球变暖的关注，科学家们开始关注气温上升对于环境的影响。如果地球整体气温上升仅仅几度，就会给人类带来巨大的挑战。

太阳能量输出对于地球气温的影响很复杂，但总的来说，当太阳变亮时，地球变暖。太阳变亮的过程很缓慢，地球上的生命能够适应这种变化。不过，当太阳的亮度比现在高10％时，地球的温度也会上升10度，这对环境的影响是非常巨大的。一旦冰帽融化，各个大陆的沿海区域都会被淹没。赤道附近会变得不适合人类居住，格陵兰岛和南极等地却会变得比较温暖。

极地的变暖不太可能弥补低纬度地区的损失，还有一个重要的影响：当空气分子被加热，它们移动的速度加快，而质量较轻的分子加速更快。当空气被加热到一定程度时，这些分子可能会逃离地球！这就是为什么地球大气中几乎没有氢和氦的原因；由于太轻，它们在数十亿年前就“逃到”太空中去了。较重的分子，如H2O、N2，和O2，“忠诚地”留了下来。

如果空气被更亮的太阳进一步加热，较重的分子也有可能会逃到太空中。最终，大气层温度太高，无法“涵养”水蒸气。空气被蒸干，只留下干枯如沙漠的陆地。这对于陆地上生命的影响是致命的。

假定太阳的亮度随着时间的推移稳定地升高，上述情景大概会在11亿年后出现。这离我们还很遥远，从某种角度上讲，还能起到一点点“安慰”作用。虽然它不会使我们摆脱引起地球气温变化的因素的困扰，但是只要你把发生的时间考虑进来，它确实能够起到减压的作用。

不过，我们终究无法逃避，而且，后面的情况更糟。

太阳会继续变亮，再过24亿年（从现在起35亿年后），它的亮度比现在要增加40％。地球的气温大幅上升，海水全部蒸发。大气层越发无法维系水蒸气，它们会逃入太空。整个地球表面干得像骨头一样。海洋底部的沉积物暴露在太阳之下，其中的二氧化碳被释放出来。二氧化碳是一种温室气体，它们吸收来自太阳的热量并“储藏”起来。地球被进一步加热，释放出的二氧化碳会产生一个厚厚的大气层。很有可能再过几十亿年，地球会和今天的金星很像：表面温度极高，外面包裹着一层基本上全部是由二氧化碳组成的浓厚的大气层。

不过，即使这些厚厚的空气最终也会进入太空。届时，地球将变成一块贫瘠的石头，大气踪影全无，生命彻底绝迹。

再过几十亿年，地球会死去。对于坚守希望的人来说，有些生命是能够挨过这个阶段的。在南非的金矿深处，科学家发现了一群以那里的化学物质为食的微生物。这些微生物本身是由岩石的自然放射产生的，不需要任何阳光，能够在非常深的地下生存。因此，当地球表面上的所有生物都在35亿年后死去时，生命其实还能在地球的某个地方延续。当然这也起不到什么安慰作用，因为再过20亿年，太阳才开始“真正”地伤害地球……

作为次巨星的太阳

太阳的年龄：109～116亿岁

（从现在起+63～70亿年）

在遥远的未来，地球会被不断变亮的太阳烤成不毛之地。不过，虽然地球的故事已讲完，但是太阳的自传才渐入佳境。

在出生约110亿年后（距现在63亿年），太阳的内核将没有足够的“氢原料”用来聚变。整个内核由氦组成，但是这时的温度又不足以聚变生成碳和氧。氦核承载着太阳将近一半的质量，而唯一的支撑来自内核自身内在的压力。在巨大的“负担”面前，氦核会进一步收缩。压缩会使得气体温度上升。虽然内核里已经没有氢，但太阳的外层拥有大量这种物质——外部的压力和温度还没有高到聚合氢的地步。

不过，在某个点上，压缩的内核将到达一个足够高的温度，以至于外围薄薄的一层氢壳开始发生聚变反应。这会增加太阳内部产生的热量，外层会向外扩张。当这种情况出现时，太阳的直径大约会增加50％，亮度也会倍增。天文学家把这种恒星称为“次巨星”。它比以前更大、更亮。但是，正如次巨星这个名字所示，它们未来还会变得比现在还要大、还要亮。

这种状态能够维持7亿年。在此期间，太阳的亮度相对来讲不会有太大变化，但是它的直径会增长到目前直径的1.5倍到2.3倍。

太阳的颜色也会发生变化。虽然太阳射出更多的能量，但是它的表面积的增加比能量的增加多得多，每平方英寸放射的能量反而比以前更小了。太阳的表面比现在“凉爽”了许多，温度下降几百度，颜色跟现在比也会呈现出更多的橘色。

由此给地球带来的影响不大。在几十亿年不断增强的“灼烧”下，太阳轻微的冷却对地球几乎不会有丝毫的影响。生命（除了那些地下的微生物）早就不存在了。

作为红巨星的太阳

太阳的年龄：116～122.33亿岁

（从现在起+70～76.33亿年）

尽管已经成为一颗次巨星，但是太阳的内核还是在不断地压缩、升温。与此同时，在内核周围薄薄的外壳中进行的氢聚变，也在源源不断地向内核中增添氦。“扮演”次巨星大约7亿年后，当太阳差不多有116亿岁时，内核中氦的质量到达一个关键点：它开始简并——这种奇怪的状态遵循量子力学定律，当物质被挤压到非常高的密度时会出现。一旦物质发生简并，它的行为开始变得“异常”。首先，如果增加它的质量，它反倒会收缩。同时，增加的质量并不会“如你所愿”地增加简并气体内部的压强，只有温度会上升。

随着更多的物质经过氢聚变进入内核，内核会不断收缩，温度不断上升，而压强不会。增加的热量同样会进入外层，不过，这时的内核处于简并状态，升温上升得更多、速度更快。

虽然内核出现簡并，太阳还将是现在的2.3倍大。当内核不断升温，外层会再次以扩张作为对增加的热量的回应，太阳会膨胀到现在的100～150倍（直径超过1亿英里）！同时，温度下降一半，亮度（每秒散发的能量）增加到现在的2400倍。接下来的6亿年，太阳像一个火红的“灯塔”，它成为一颗红巨星。

从地球上看，这种场景很可怕。今天，你可以用伸展的拇指轻松地挡住太阳光的照射；而在太阳处于红巨星阶段，它最终将占据整个天空的三分之一，很难估量它到底有多大。

当太阳扩张成为一颗红巨星，会发生很多奇特的事情。比如，它的转动速度会非常慢（几乎像是在原地不动）。扩张过程中转动速度的下降，就像滑冰的人们能够通过伸展手臂降低旋转速度一样。旋转速度的变化基本上是成比例的，因此，如果太阳以某一变量表示扩张了100，那么转速也同样会下降100。现在，它转动一圈需要一个月左右的时间，当它变成一颗红巨星，转动一圈需要3000天（八年多）。

伴随着体积增大而来的另一个重要变化是：它表面的引力会大幅下降。一个物体表面的引力取决于这个物体的质量和它的半径。当太阳扩张成红巨星时，质量不变而半径增加了100倍。这意味着其表面的引力会下降1万倍。现在，太阳表面的引力是地球的27倍（也就是说，在太阳表面，我的体重远远超过二吨）。当太阳膨胀为一颗红巨星时，表面的引力会降到不足地球引力的1％。在太阳膨胀的表面，任何粒子都被“轻轻地”吸引着。

同时，太阳的亮度会增加2400倍（每平方英寸辐射出的能量都是膨胀之前的2400倍）。光线的动量能够传递给表面的粒子，使得它们获得向上的动力。对于太阳表面的氢原子来说，这就像是有人在关闭了“引力阀”的同时，开启了一个巨大的“风扇”：表面的粒子会被“吹”走。

这股颗粒被称作星风，它和太阳风类似，但是密度要高很多。实际上，作为红巨星的太阳每年都会散发出其质量的千万分之一，比现在的太阳“慷慨”得多。

在太阳膨胀为红巨星的过程中，这种“质量流失”很严重。既然它的引力取决于质量，质量的下降必然带来引力的下降，太阳周围的行星会向外“迁移”（当太阳对它们的牵制力下降时，它们的轨道变得更大了）。

这是一场竞赛！太阳体积的膨胀是否会吞噬其中的行星，这些行星能否及时逃离太阳的“血盆大口”？

对于水星来说，结果是很清楚的：铁定没跑。它目前与太阳之间的距离是3600英里——也就意味着在发令枪响时，它已经被其他行星远远地甩在后面了。几百万年后，太阳会“赶上”并超越这颗星球，水星将“进入”太阳。

水星每88天绕太阳转一圈，当它在这些物质中跋涉，空气阻力会减弱水星运行的速度（就像跳伞运动员打开了降落伞）。仅仅几年后，水星的速度迅速下降并最终旋转着进入太阳。在那里，密度更高的物质使得这个“微小的”行星速度下降得更快。如果它一开始没有被“蒸发”掉，水星会落入太阳的中心，走向死亡。

金星呢？就我们目前掌握的知识，还不能确定太阳扩张成为红巨星后，金星是逃脱了或是被吃掉。有些模型表明它可以逃脱，而另一些则认为它和它的小弟兄（水星）具有相同的命运。不过，即使它能暂时躲过一劫（设法处在贪婪扩张的太阳表面以外），金星迟早也是要灭亡的。金星的表面原本就很热（约464度），当太阳在金星的上空“发威”，它的温度会扶摇直上，达到几乎和太阳相同的温度。金星的外壳会熔化，大气层会被吹走。

地球的遭遇稍微好点儿。研究显示，地球的轨道扩张速度比太阳要快（也有些人认为我们会被这颗不断扩张的恒星吃掉）。天文学家对于有关细节还存在争论，而这正是这场游戏中的关键因素。根据太阳扩张及其质量流失的细节，地球与太阳之间的距离将是现在的1.4倍（目前地球距离太阳9300万英里，因此当太阳停止扩张，这个距离会增加到1.3亿英里）。

即使我们能摆脱被吃掉的厄运，也千万别就此长出一口气：记得吧。红巨星是很大的。它会占据天空的绝大部分，向地球表面辐射高温，地球表面的温度将升至2500度左右（足够熔化任何金属和岩石）。可能出现的情况是，在太阳结束膨胀之前，地球就早已灭亡了（它的海洋已被蒸干，大气也被夺走）。随着太阳向红巨星转化，地球的外壳很有可能会熔化。

我们还可以尝试着说一次“不过”。虽然地球会被整个“炖掉”，但是它并不是太阳系中唯一可用的行星。火星也能逃离太阳，只是那里仍然会由于太热而不适合居住；木卫二是个冰体，其表面下方还可能有液态水存在。当太阳扩张成一颗红巨星时，木卫二整个蒸发了。

据我们所知，太阳系中此时可能已经没有地方适合生命存在了，即使天王星和海王星的卫星也会非常“温暖”。要达到目前地球的温度，只有在距离太阳45亿英里外才有可能。在太阳系中，只有（目前）缓慢地绕着太阳运转、经过冥王星轨道的那些冰体可能足够“凉爽”。当火红的、膨胀的太阳照在它们身上时，它们会毫无保留地融化，变成一个非常巨大的一百英里左右宽的水滴。据说这些物体携带着有机物。当这些冰体升温，会有很多有趣的事情发生在那些有机物身上。在太阳处于红巨星状态这段时间，这些冰体会长期处于液体状态，而这其实又回避了问题的实质：什么样的生命能在这种环境下进化呢？

（摘自中央编译出版社《地球的终结》一书）