带着地球去流浪,我们太阳的一生 -- 读《千亿个太阳》(中)

2019-02-24 16:43:21   最后更新: 2019-02-24 18:15:11   访问数量:285




2019农历新年之际,带着地球去流浪的经典科幻小说《流浪地球》被搬上大荧幕,承载着“中国科幻电影元年”的美誉,这部电影描绘了在太阳即将膨胀的末日笼罩下,人类在灾难中的求生之路,宏大的背景下紧张刺激的地球营救令人倍感心潮澎湃

短短128分钟的电影很快结束了,但人们仍然意犹未尽地沉浸在那个末日的世界中,一个个问题不禁浮上每一位观影人的心头,太阳真的会膨胀、爆炸成为地球末日的根源吗?那一天会在什么时候到来呢?在那之后太阳又会走向哪里变成什么样呢?

 

 

遗憾的是,我们只能通过观测手段来研究太阳的命运,毕竟我们没有长达几十亿年的寿命和文明,也没有一个能在这个大火球上挖一勺的汤匙

仰望虚无的夜空,点点繁星放射出红红蓝蓝不同的色彩,有的稳定有的不断变化,他们曾经也如太阳一样吗?他们都是恒星家族的成员,只是年龄不同吗?显然,这都是非常有可能的,那如何把他们放在一起来研究呢?两位著名的天文学家埃依纳尔·赫茨普龙与亨利·诺里斯·罗素一起发明了用他们名字命名的二维直角坐标系 -- 赫罗图

赫罗图以恒星表面温度为横轴,以光度为纵轴,这两个指标是很容易通过观测来确定的,天空中红色的星星正是因为其表面温度较低辐射波长比较长导致的,而相反的,表面温度高的恒星则表现为白色或蓝色,这样所有的恒星都可以在这个坐标系上被用一个个点标出来,而恒星的光度和温度显然是连续变化的,所以我们通过模拟恒星不同的核反应阶段就可以在赫罗图上绘制出一条连续的曲线,这就是研究恒星演化的重要依据

 

 

上面赫罗图中,有一条由左上到右下延伸的斜线,我们能观测到的 90% 的恒星都位于这条线的附近,我们称这条线为主序带,我们的太阳就在这条线上

在主序带的右上方,是温度低光度高的红巨星,而在左下方的,则是温度高光度低的白矮星

 

此前的文章中,我们已经知道,太阳内部正在以质子-质子链反应进行着核聚变产生能量

人类对太阳的不懈探索 -- 读《千亿个太阳》(上)

 

我们只需要根据观测所了解到的太阳物质成分构建太阳模型,就可以通过计算机模拟核反应的方式计算出太阳的演化进程了

 

 

上图就是在赫罗图中太阳的演化过程,演化中的太阳从主序开始,逐渐进入红巨星区域

 

原始太阳的演化

原始的46亿年前的太阳与现今没有特别大的不同,他的直径是现在太阳的 92%,光度是如今太阳的 75%,表面温度为 5620 度,比现在的太阳低 180 度,随着核心区域核反应的进行,4个氢原子聚变为一个氦原子,太阳的中心形成一个氦球,这个氦球我们一般称为日核

日核的高密度让氦球壳层上的氢原子发生质子-质子链反应,从而向外辐射能量,但太阳外层的物质透过率很小,大量能量被阻塞在太阳内部,构成了辐射层,大量辐射不断加热着辐射层外部的边缘,导致了太阳外层物质的沸腾,冷气团下降,热气团上升,从而构成了太阳的对流层,通过对流,能量被带出太阳,为整个太阳系提供光和热

正是这样的物质构成,让太阳具备了自我调节能力,随着核反应的发生,太阳中心的氢不断消耗,日核不断增大,质量损失造成引力的下降,但于此同时,核反应的剧烈程度则在增加,对流层显著变薄,所以 46 亿年以来太阳的体积并没有发生特别明显的变化,未来24亿年内也基本如此

 

红巨星 -- 太阳的未来

但从未来距今24亿年到距今54亿年之间,太阳中心的氢逐渐被消耗殆尽,直到变成一个大氦球,引力下降过大以至于不足以维持现在的大小,因此在这一过程中,太阳的光度和体积都开始不断上升,直到体积比如今的太阳大一倍

54亿年以后,因为太阳中的氢含量太少,于是太阳离开主序带,进入红巨星时代,太阳的体积仍在不断变大,从此开始的十几亿年以后,太阳变得比今天的太阳大100倍,光度增加2000倍,温度则下降1800度变成4000度,地球此时早已在阳光中变成一个大火炉了,这就是《流浪地球》中预言的灾难,只是我们现在还处在“那时没人关心太阳,人们只关心一种叫钱的东西”的时代,毕竟担心几十亿年后的灾难显得有一些杞人忧天了

 

在太阳变成红巨星以后,随着质量的损耗,外部的壳层因为引力的下降会膨胀到越来越大,但内部的日核部分则因为引力的作用聚集和累积,随着氦原子的聚集,质量、密度和温度都会不断的上升,直到这一过程发生的12亿年后,也就是距今66亿年以后,高密度的日核开始了氦原子的聚变反应

 

 

如图所示,三个氦核聚变为一个碳原子核,并释放出大量的能量,由于此时太阳密度过大,这一过程将发生的极为迅猛,这就是电影中提到的“氦闪”

但是电影中对于氦闪的描述有着几个明显的错误:首先,氦闪是发生在太阳进入红巨星阶段12亿年以后的,发生氦闪时,地球早已被巨大的红巨星太阳吞没了,与担心氦闪的发生相比,更应该担心的是被膨胀的太阳吞没,而另一方面,发生氦闪时的太阳之大,已经足以让他外面的任何生物都无法觉察到氦闪的发生

 

经过两百年剧烈的氦聚变 -- 氦闪,外部没有完全消耗的氢壳层以及其他尘埃物质被抛掉,露出了他的真面目 -- 白矮星,被抛掉的物质则形成了行星状星云,太阳就这样走完了他的一生

这颗大碳球慢慢的冷却,光度持续下降,最终熄灭成黑矮星,孤独的留在宇宙中,静静地怀想他曾经辉煌的这一百多亿年的生命

也许,这流浪着的黑矮星太阳也在想念着那颗不知已经流浪到哪个星系的蓝色弹珠吧,叹一声:啊,地球,我的流浪地球

 

 

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[捷克]鲁道夫·基彭哈恩 《千亿个太阳》

 






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