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氦闪本身不是灾难,伴随氦闪的太阳膨胀才是。

撰文 | 袁岚峰

大年初一,《流浪地球2》将带领大家再次回到氦闪的世界。氦闪是什么?看过原著的人知道,它对地球是一种致命的灾难,一闪过后毁天灭地。正是为了躲避氦闪,人们不得不让地球离开太阳系,为此建造了大量的行星发动机,让地球停转,住到地下,开启了苦难的行军。不过,氦闪究竟是什么?

顾名思义,“氦”说明它是氦元素聚变,“闪”说明它是一种瞬时性的现象。如果你是一个勤于思考的人,而且你知道太阳现在的主要成分是氢,它正在把氢聚变成氦,那么你就会问:为什么氢聚变不会闪,而氦聚变就会闪?

非常好的问题!如果你能从这个角度去思考,你的思维水平就超过了90%的人。下面,我们就先来解释一下为什么氢聚变不会闪。

答案非常有趣:太阳里存在一个自发的负反馈机制,就像人体维持体温、血压、pH值等指标稳定的负反馈机制一样。核聚变需要非常高的温度和压强才能发生,而太阳的核心刚好达到了氢聚变的条件,可以让氢聚变成氦。太阳物质的万有引力使得它们向内塌缩,而氢聚变的能量使得它们向外膨胀,两者刚好达到平衡。最奇妙的是,这个平衡是自我维持的。

为什么呢?因为如果核聚变太快了,放出的能量太多,核心就会膨胀,这会让核心的温度下降,于是核聚变又会变慢一些,恢复了平衡。反之,如果核聚变太慢了,放出的能量太少,核心就会收缩,这会让核心的温度上升,于是核聚变又会变快一些,同样恢复了平衡。这个负反馈机制导致,几十亿年来太阳一直在以相对稳定的速度燃烧氢。这对我们是一个巨大的好消息。假如不是这样,太阳辐射忽高忽低,那么地球上的生命早就死光光了!因此,我们习以为常的“万物生长靠太阳”,其实是一种巨大的幸运。

下面,我们再来解释为什么氦聚变就会闪。答案你已经能猜到了:氦聚变没有这样的负反馈机制。但为什么没有呢?

这里的基本原因在于,氦聚变难以点燃。两个原子核要聚变,首先要克服双方带正电的质子之间的排斥力。而氦有两个质子,氢只有一个质子,因此让两个氦聚到一起更困难,需要的温度更高。当太阳核心的氢消耗殆尽时,里面全都是氦,却不能发生聚变。这些氦就好比煤炉中煤炭燃烧剩下的灰烬,被称为“氦灰”。

太阳核心的氦灰在万有引力的作用下会继续向内塌缩,然后有趣的来了:氦进入了量子力学的“简并态”!所有的微观粒子分为两类,费米子和玻色子,例如电子、质子、中子属于费米子,光子属于玻色子。费米子要满足泡利不相容原理,即两个粒子不能属于同一个状态,而玻色子不需要满足泡利不相容原理。大家在高中学的原子中的电子排布,就是由泡利不相容原理决定的,所有可选的能级从低到高一路排上去,因为不能有两个电子挤在一块。当氦被挤得非常紧密时,它们的电子就处于所有可占据的低能级都排满了的状态,再来一个只能往上排。这种状态就叫做简并态,由此产生的压强叫做简并压。简并的意思是多个粒子处于同一个状态,简并压的意思是由于“粒子不愿意简并”产生的压强。

https://scienceatyourdoorstep.com/2020/08/24/helium-ignition-in-stars/

简并压有个要命的特点:它跟温度没有关系,只跟粒子密度有关。这个特点很要命,是因为它破坏了前面说的负反馈机制。当氦在引力的作用下向内塌缩时,温度升高,但压强不变,这就使得氦出现了一个奇异的场景。一开始温度比较低,氦完全不聚变。直到温度高达一亿度,这时氦终于被点燃了。但由于简并压与温度无关,它不能通过体积自发膨胀让聚变减速,反而是聚变放出的能量让温度升得更高,让更多的氦聚变。也就是说,只有正反馈,没有负反馈。这样的系统会发生什么?一场失控的爆炸。

这就是氦闪!在以秒计的时间里,太阳核心的氦剧烈地燃烧,产生的能量比平时高千亿倍。这时一个太阳的能量输出,顶得上整个银河系。因此,《流浪地球》里把它描述成毁灭性的闪光,是有道理的。

然而如果细究起来,这个描述其实不对。因为氦闪的能量爆发只是在太阳的内部,这些能量大部分被太阳本身吸收了,以至于在外界几乎看不出太阳的亮度有什么变化。因此,目前我们还没有观测到一颗氦闪的恒星,因为缺少观测的方法,这是一个活跃的研究前沿。

《流浪地球》原著里对氦闪的另一个描述是正确的:“太阳将变为一颗巨大但暗淡的红巨星,它膨胀到如此之大,地球将在太阳内部运行!”所以氦闪本身不是灾难,但伴随氦闪的太阳膨胀是灾难。太阳为什么会膨胀?因为当太阳核心的氢耗尽时,随着核心温度的继续升高,核心边缘一层本来不能聚变的氢开始发生聚变。它产生的能量会把太阳外层向外掀,让太阳急剧膨胀。不过书里还是有点小错误,它说太阳变成红巨星发生在氦闪之后,实际上应该是之前。

无论如何,太阳将来确实会成为我们的毁灭之源。为此我们也确实需要想办法,无论是带着地球流浪还是抛下地球流浪,还是移居到另一个地球。不过并不像科幻作品那样着急,因为太阳目前的氢燃料还很充足,它变成红巨星应该是在50亿年之后,而不是几百年甚至几十年。然而能让我们居安思危,胸怀宇宙,就是了不起的价值。

 

本文经授权转载自微信公众号“”。

 

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返朴

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