科幻小說《流浪地球》設(shè)定太陽會在幾百年后發(fā)生氦閃，因此人類帶著地球流浪。電影《流浪地球2》將太陽發(fā)生氦閃的時間“提前”到2078年。在現(xiàn)實中，氦閃會在幾百年后發(fā)生嗎？如果不會，地球會一直安全嗎？如果地球不再安全，人類有什么辦法應(yīng)對？

撰文 | 王善欽

在科幻小說《流浪地球》中，太陽會在幾百年后發(fā)生氦閃毀滅地球，為了生存，人類用行星發(fā)動機推動地球流浪。電影《流浪地球2》直接將太陽發(fā)生氦閃的時間“提前”到2078年。太陽真的會在幾百年后發(fā)生氦閃嗎？如果不會，那以后會發(fā)生嗎？如果短期內(nèi)氦閃不會發(fā)生，我們還會遇到其他考驗嗎？

(資料圖)

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

氦閃：幾十億年后的事情

太陽的能源來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)過的物質(zhì)加熱，使太陽發(fā)出光芒與熱量。太陽內(nèi)部氫聚變的點火溫度約為1500萬度。

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

現(xiàn)在的太陽核心還處于氫聚變過程，必須等到核心氫聚變過程結(jié)束，才會啟動核心的氦聚變。然后才有氦閃。

根據(jù)計算，太陽核心氫聚變會持續(xù)大約100億年，而太陽才聚變了46億年。因此，在此后至少50多億年之后，核心氫聚變才會結(jié)束，氦聚變才有可能啟動，氦閃才有可能發(fā)生。

所以，要想等到太陽氦閃，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，也不會立即等到氦聚變和氦閃。因為從核心氫聚變結(jié)束到核心氦聚變啟動，中間還要經(jīng)歷大約10億年的間隔期。

在這10億年中，太陽自身的引力壓縮已聚變?yōu)楹さ暮诵?。核心的收縮導(dǎo)致引力勢能的一部分轉(zhuǎn)化為熱，致使核心越來越燙，在某個時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。

這個過程不斷進行，核心越縮越小、質(zhì)量越來越大、溫度越來越高。與此相反，太陽核心之外的物質(zhì)層越脹越大、越來越冷。太陽因此先成為橙色的亞巨星，亮度為太陽幾十倍；然后逐步成為紅色的紅巨星，亮度達到太陽幾百倍。

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

被高度壓縮的氦核心也開始產(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]這種斥力被稱為“簡并壓”。這個階段的氦核，就成為簡并氦核。

當氦核的質(zhì)量達到太陽質(zhì)量的0.45倍、氦核中心的溫度達到大約1億度時，氦核心啟動聚變反應(yīng)，其綜合效果是：三個氦聚變?yōu)橐粋€碳。在太陽的氦聚變啟動前，它已處于簡并狀態(tài)，這導(dǎo)致氦聚變立即失控。

導(dǎo)致失控聚變的原因是：簡并氦核的壓強以簡并壓為主，而簡并壓對溫度很不敏感。氦聚變導(dǎo)致氦核溫度快速升高，但氦核的總壓強只輕微增加，因此不會通過膨脹來有效降溫；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……

這樣就形成一個正循環(huán)，就像你因為學(xué)習努力被老師表揚，因此更加努力，因此得到老師更多表揚，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%——整個太陽質(zhì)量的2.7%——燒成碳。這幾秒到幾分鐘的揮霍，就是氦閃。

因此，太陽至少得經(jīng)過60多億年，才有可能發(fā)生氦閃。所以，對于太陽會在未來幾十到幾百年發(fā)生氦閃的假定，太陽會直接否認三連：我不是，我沒有，別瞎說啊。

太陽發(fā)生氦閃后，人類也無法觀測到劇烈的閃光。因為氦閃釋放出的能量導(dǎo)致氦核膨脹，膨脹過程消耗了這些能量，沒有剩余能量傳遞到太陽表面。另一方面，氦核膨脹后從簡并物質(zhì)變?yōu)槠胀ㄎ镔|(zhì)，此后太陽內(nèi)的氦聚變平穩(wěn)進行。

因此，太陽的氦閃自身是人畜無害的——假設(shè)太陽在成為紅巨星時，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的可能性。人類也尚未觀測到其他恒星核心發(fā)生氦閃導(dǎo)致的短期變化。[注2]

不過，氦閃還是會引起長期變化效應(yīng)。氦核心的迅速膨脹會導(dǎo)致溫度降低，進而導(dǎo)致殼層氫的溫度與壓強也降低，導(dǎo)致紅巨星整體收縮。經(jīng)過一萬年左右，紅巨星的半徑收縮到原來半徑的2%，亮度降低到原來的2%，[注3]表面溫度也會升高一部分，顏色變?yōu)槌赛S色。太陽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。圖片來源：Greg Parker

換句話說，氦閃不僅不會使恒星整體膨脹、變亮，反而會導(dǎo)致恒星整體收縮、變暗。

真正的太陽危機

既然太陽的氦閃得等至少60億年，那人類就因此高枕無憂了嗎？

并非如此。這是因為，除了早期幾億年，太陽的亮度在過去幾十億年的時間內(nèi)一直在緩慢升高。在太陽剛誕生時，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，太陽的亮度一直升高到現(xiàn)在的值。今后，太陽的亮度會繼續(xù)上升。在太陽的年齡為大約100多億年時（60億年后），它的亮度將是現(xiàn)在的2倍，如下圖實線所示。在過去的大多數(shù)時間與未來的時間里，太陽亮度（實線）逐漸增加，半徑（長劃線）逐漸增大，溫度（虛線）在100億年內(nèi)基本不變，100億年之后開始降低——成為紅巨星。橫坐標為時間，單位是10億年；縱坐標為亮度，單位是太陽現(xiàn)在的亮度。圖片來源：Ignasi Ribas，arXiv:0911.4872,doi:10.1017/S1743921309992298, S2CID 119107400

越來越亮的太陽導(dǎo)致地球也越來越熱。在彗星等天體為早期的地球帶來大量的水之后，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%。

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

隨著未來的太陽進一步變亮，地球也將進一步變暖。粗略估計，十幾或二十幾億年后，地球上的所有地面水都會被蒸發(fā)為云，且不再下雨，天空全是云。

太陽在膨脹為紅巨星的過程中，更會因為其巨大的亮度直接烤焦地球。氦閃之后，太陽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，并吞沒火星與木星。

此后，太陽將產(chǎn)生幾次噴發(fā)過程，噴發(fā)出的物質(zhì)成為行星狀星云，留下來的核心釋放出的光以X射線與紫外線為主。再經(jīng)過一段時間，核心冷卻，成為碳氧白矮星。這個階段的太陽在可見光波段上又太暗了，整個太陽系也將黯淡無光。歐洲南方天文臺（ESO）的甚大望遠鏡（VLT）拍攝的啞鈴星云，它就是一個行星狀星云。幾十億年后，我們的太陽應(yīng)該也會使這樣子。圖片來源：European Southern Observatory

人類何去何從？

在太陽膨脹為紅巨星之前，地球就已有了生存危險，因為太陽亮度上升會導(dǎo)致的地球溫度升高，從而使地球也越來越不宜居。

不過，這個變化過程至少要幾億年才會變得比較顯著，因此人類可以在這幾億年想出各種辦法?！拔覀冐撠熛胂?，有人負責實現(xiàn)?！?/p>

首先，人類可以移居火星。現(xiàn)在的火星還比較冷。但在太陽越來越亮之后，火星也會因此升溫。雖然火星大氣稀薄，但那時候的人類應(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，并讓它們在適當?shù)能壍览@太陽公轉(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。因為，在太陽膨脹為紅巨星之后，地球會被烤焦，火星也將太熱。因此在此之前人類要么讓太空城移到更遠的軌道上圍繞太陽運轉(zhuǎn)，要么移居其他星球。

在太陽成為白矮星之后，人類可能就只能移居其他星球了。

不過，太陽膨脹為紅巨星并最終成為白矮星，還需要至少60億年，那時候的人類應(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：“朝菌不知晦朔，蟪蛄不知春秋”。人類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，我們的一生的長短與朝菌（傳說中的一種植物，見太陽就死）和蟪蛄（一種蟬）的壽命并無差異。然而，人類從開始有文字到現(xiàn)在也不過幾千年時間，卻已大致破解宇宙與恒星演化的奧秘。我們自然應(yīng)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(jù)量子力學(xué)中的“泡利不相容原理”，同種費米子在過度接近時都會產(chǎn)生這種量子力學(xué)效應(yīng)，從而互相排斥。而電子、質(zhì)子、中子都是費米子。例如，白矮星就是一種依靠電子簡并壓支撐的致密星。

[注2]核心氦閃雖然無法被觀測到，但發(fā)生在氦殼層的“殼層氦閃”已經(jīng)被觀測到，殼層氦閃會導(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,https://faculty.wcas.northwestern.edu/infocom/The%20Website/end.html

出品：科普中國

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