科幻小说《流浪地球》设定太阳会在几百年后发生氦闪，因此人类带着地球流浪。电影《流浪地球2》将太阳发生氦闪的时间“提前”到2078年。在现实中，氦闪会在几百年后发生吗？如果不会，地球会一直安全吗？如果地球不再安全，人类有什么办法应对？
撰文 | 王善钦
在科幻小说《流浪地球》中，太阳会在几百年后发生氦闪毁灭地球，为了生存，人类用行星发动机推动地球流浪。电影《流浪地球2》直接将太阳发生氦闪的时间“提前”到2078年。太阳真的会在几百年后发生氦闪吗？如果不会，那以后会发生吗？如果短期内氦闪不会发生，我们还会遇到其他考验吗？
太阳和日球层天文台（SOHO）于2003年10月 28日拍摄的带有黑子的太阳的图像。图片来源：ESA
氦闪：几十亿年后的事情
太阳的能源来自其核心的氢的聚变。氢聚变为氦，释放出的伽玛射线向外传播，将经过的物质加热，使太阳发出光芒与热量。太阳内部氢聚变的点火温度约为1500万度。
很多人对氦闪的误解是：太阳内部的氢在聚变为氦的过程中发生氦闪。但实际上，氦闪是：太阳内部的氦在聚变为碳的过程中发生氦闪，而氦聚变需要的温度大约是1亿度。
现在的太阳核心还处于氢聚变过程，必须等到核心氢聚变过程结束，才会启动核心的氦聚变。然后才有氦闪。
根据计算，太阳核心氢聚变会持续大约100亿年，而太阳才聚变了46亿年。因此，在此后至少50多亿年之后，核心氢聚变才会结束，氦聚变才有可能启动，氦闪才有可能发生。
所以，要想等到太阳氦闪，等50多年不够，等几百年也不够，而是至少要等50多亿年。
即使等50多亿年，也不会立即等到氦聚变和氦闪。因为从核心氢聚变结束到核心氦聚变启动，中间还要经历大约10亿年的间隔期。
在这10亿年中，太阳自身的引力压缩已聚变为氦的核心。核心的收缩导致引力势能的一部分转化为热，致使核心越来越烫，在某个时刻让核心之外的氢发生聚变，产生的能量加热了外部物质，导致外层膨胀。
这个过程不断进行，核心越缩越小、质量越来越大、温度越来越高。与此相反，太阳核心之外的物质层越胀越大、越来越冷。太阳因此先成为橙色的亚巨星，亮度为太阳几十倍；然后逐步成为红色的红巨星，亮度达到太阳几百倍。
太阳示意图（左）与太阳成为红巨星之后（右）的艺术想象图。图片来源：Department of Physics, NCKU
被高度压缩的氦核心也开始产生明显变化：由于核心内部的电子被压缩到太接近，产生了强烈的排斥力。这种斥力不是同种电荷的电荷斥力，而是量子力学效应引起的。[注1]这种斥力被称为“简并压”。这个阶段的氦核，就成为简并氦核。
当氦核的质量达到太阳质量的0.45倍、氦核中心的温度达到大约1亿度时，氦核心启动聚变反应，其综合效果是：三个氦聚变为一个碳。在太阳的氦聚变启动前，它已处于简并状态，这导致氦聚变立即失控。
导致失控聚变的原因是：简并氦核的压强以简并压为主，而简并压对温度很不敏感。氦聚变导致氦核温度快速升高，但氦核的总压强只轻微增加，因此不会通过膨胀来有效降温；升高的温度导致氦聚变速度升高，从而又导致温度继续升高……
这样就形成一个正循环，就像你因为学习努力被老师表扬，因此更加努力，因此得到老师更多表扬，于是疯狂努力……
这样的循环导致氦聚变的功率急剧增加到正常状态的千亿倍以上，在几分钟内就把氦核心的6%——整个太阳质量的2.7%——烧成碳。这几秒到几分钟的挥霍，就是氦闪。
因此，太阳至少得经过60多亿年，才有可能发生氦闪。所以，对于太阳会在未来几十到几百年发生氦闪的假定，太阳会直接否认三连：我不是，我没有，别瞎说啊。
太阳发生氦闪后，人类也无法观测到剧烈的闪光。因为氦闪释放出的能量导致氦核膨胀，膨胀过程消耗了这些能量，没有剩余能量传递到太阳表面。另一方面，氦核膨胀后从简并物质变为普通物质，此后太阳内的氦聚变平稳进行。
因此，太阳的氦闪自身是人畜无害的——假设太阳在成为红巨星时，太地球上还有人与畜。所以也根本不存在氦闪立即毁灭人类的可能性。人类也尚未观测到其他恒星核心发生氦闪导致的短期变化。[注2]
不过，氦闪还是会引起长期变化效应。氦核心的迅速膨胀会导致温度降低，进而导致壳层氢的温度与压强也降低，导致红巨星整体收缩。经过一万年左右，红巨星的半径收缩到原来半径的2%，亮度降低到原来的2%，[注3]表面温度也会升高一部分，颜色变为橙黄色。太阳再次成为橙色的亚巨星。
夜空第四亮星——大角（Arcturus）——就是一颗橙黄色的亚巨星。图片来源：Greg Parker
换句话说，氦闪不仅不会使恒星整体膨胀、变亮，反而会导致恒星整体收缩、变暗。
真正的太阳危机
既然太阳的氦闪得等至少60亿年，那人类就因此高枕无忧了吗？
并非如此。这是因为，除了早期几亿年，太阳的亮度在过去几十亿年的时间内一直在缓慢升高。在太阳刚诞生时，它的亮度大约是现在的85%，然后在此后的几亿年下降到现在的75%，接着在此后至今的约40亿年，太阳的亮度一直升高到现在的值。今后，太阳的亮度会继续上升。在太阳的年龄为大约100多亿年时（60亿年后），它的亮度将是现在的2倍，如下图实线所示。
在过去的大多数时间与未来的时间里，太阳亮度（实线）逐渐增加，半径（长划线）逐渐增大，温度（虚线）在100亿年内基本不变，100亿年之后开始降低——成为红巨星。横坐标为时间，单位是10亿年；纵坐标为亮度，单位是太阳现在的亮度。图片来源：Ignasi Ribas，arXiv:0911.4872, doi:10.1017/S1743921309992298, S2CID 119107400
越来越亮的太阳导致地球也越来越热。在彗星等天体为早期的地球带来大量的水之后，地球上一度有约90%的面积被水覆盖。随着太阳亮度不断升高，这一比例降低到现在的约70%。
这是一种漫长的全球变暖效应，但不是因为二氧化碳排放导致的，而是太阳的亮度变化导致的。
随着未来的太阳进一步变亮，地球也将进一步变暖。粗略估计，十几或二十几亿年后，地球上的所有地面水都会被蒸发为云，且不再下雨，天空全是云。
太阳在膨胀为红巨星的过程中，更会因为其巨大的亮度直接烤焦地球。氦闪之后，太阳从红巨星收缩为亚巨星，短暂停留后，将重新膨胀为红巨星甚至红超巨星，并吞没火星与木星。
此后，太阳将产生几次喷发过程，喷发出的物质成为行星状星云，留下来的核心释放出的光以X射线与紫外线为主。再经过一段时间，核心冷却，成为碳氧白矮星。这个阶段的太阳在可见光波段上又太暗了，整个太阳系也将黯淡无光。
欧洲南方天文台（ESO）的甚大望远镜（VLT）拍摄的哑铃星云，它就是一个行星状星云。几十亿年后，我们的太阳应该也会使这样子。图片来源：European Southern Observatory
人类何去何从？
在太阳膨胀为红巨星之前，地球就已有了生存危险，因为太阳亮度上升会导致的地球温度升高，从而使地球也越来越不宜居。
不过，这个变化过程至少要几亿年才会变得比较显著，因此人类可以在这几亿年想出各种办法。“我们负责想象，有人负责实现。”
首先，人类可以移居火星。现在的火星还比较冷。但在太阳越来越亮之后，火星也会因此升温。虽然火星大气稀薄，但那时候的人类应该有能力在火星制造出足够的氧。
其次，建设若干太空城，并让它们在适当的轨道绕太阳公转。
第三，找到围绕其他恒星的宜居行星，分批迁移。
以上的一些方案并不能一劳永逸。因为，在太阳膨胀为红巨星之后，地球会被烤焦，火星也将太热。因此在此之前人类要么让太空城移到更远的轨道上围绕太阳运转，要么移居其他星球。
在太阳成为白矮星之后，人类可能就只能移居其他星球了。
不过，太阳膨胀为红巨星并最终成为白矮星，还需要至少60亿年，那时候的人类应该有能力移居其他星球或想出其他更好的方案。
庄子曾经在《逍遥游》里说：“朝菌不知晦朔，蟪蛄不知春秋”。人类短暂的一生显然远远短于宇宙中的各种天体的年龄；在它们面前，我们的一生的长短与朝菌（传说中的一种植物，见太阳就死）和蟪蛄（一种蝉）的寿命并无差异。然而，人类从开始有文字到现在也不过几千年时间，却已大致破解宇宙与恒星演化的奥秘。我们自然应当对我们的后代的智慧与生存技能更有信心。
注释
[注1]根据量子力学中的“泡利不相容原理”，同种费米子在过度接近时都会产生这种量子力学效应，从而互相排斥。而电子、质子、中子都是费米子。例如，白矮星就是一种依靠电子简并压支撑的致密星。
[注2]核心氦闪虽然无法被观测到，但发生在氦壳层的“壳层氦闪”已经被观测到，壳层氦闪会导致恒星亮度在几天内增加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：科普中国
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