如果地球不毀滅於氦閃，那它將毀滅於什麼？_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！02-14 12:30
科幻小説《流浪地球》設定太陽會在幾百年後發生氦閃，因此人類帶着地球流浪。電影《流浪地球2》將太陽發生氦閃的時間“提前”到2078年。在現實中，氦閃會在幾百年後發生嗎？如果不會，地球會一直安全嗎？如果地球不再安全，人類有什麼辦法應對？
撰文 | 王善欽
在科幻小説《流浪地球》中，太陽會在幾百年後發生氦閃毀滅地球，為了生存，人類用行星發動機推動地球流浪。電影《流浪地球2》直接將太陽發生氦閃的時間“提前”到2078年。太陽真的會在幾百年後發生氦閃嗎？如果不會，那以後會發生嗎？如果短期內氦閃不會發生，我們還會遇到其他考驗嗎？
氦閃：幾十億年後的事情
太陽的能源來自其核心的氫的聚變。氫聚變為氦，釋放出的伽瑪射線向外傳播，將經過的物質加熱，使太陽發出光芒與熱量。太陽內部氫聚變的點火温度約為1500萬度。
很多人對氦閃的誤解是：太陽內部的氫在聚變為氦的過程中發生氦閃。但實際上，氦閃是：太陽內部的氦在聚變為碳的過程中發生氦閃，而氦聚變需要的温度大約是1億度。
現在的太陽核心還處於氫聚變過程，必須等到核心氫聚變過程結束，才會啓動核心的氦聚變。然後才有氦閃。
根據計算，太陽核心氫聚變會持續大約100億年，而太陽才聚變了46億年。因此，在此後至少50多億年之後，核心氫聚變才會結束，氦聚變才有可能啓動，氦閃才有可能發生。
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束到核心氦聚變啓動，中間還要經歷大約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為氦的核心。核心的收縮導致引力勢能的一部分轉化為熱，致使核心越來越燙，在某個時刻讓核心之外的氫發生聚變，產生的能量加熱了外部物質，導致外層膨脹。
這個過程不斷進行，核心越縮越小、質量越來越大、温度越來越高。與此相反，太陽核心之外的物質層越脹越大、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；然後逐步成為紅色的紅巨星，亮度達到太陽幾百倍。
被高度壓縮的氦核心也開始產生明顯變化：由於核心內部的電子被壓縮到太接近，產生了強烈的排斥力。這種斥力不是同種電荷的電荷斥力，而是量子力學效應引起的。[注1]這種斥力被稱為“簡併壓”。這個階段的氦核，就成為簡併氦核。
當氦核的質量達到太陽質量的0.45倍、氦核中心的温度達到大約1億度時，氦核心啓動聚變反應，其綜合效果是：三個氦聚變為一個碳。在太陽的氦聚變啓動前，它已處於簡併狀態，這導致氦聚變立即失控。
導致失控聚變的原因是：簡併氦核的壓強以簡併壓為主，而簡併壓對温度很不敏感。氦聚變導致氦核温度快速升高，但氦核的總壓強只輕微增加，因此不會通過膨脹來有效降温；升高的温度導致氦聚變速度升高，從而又導致温度繼續升高……
這樣就形成一個正循環，就像你因為學習努力被老師表揚，因此更加努力，因此得到老師更多表揚，於是瘋狂努力……
這樣的循環導致氦聚變的功率急劇增加到正常狀態的千億倍以上，在幾分鐘內就把氦核心的6%——整個太陽質量的2.7%——燒成碳。這幾秒到幾分鐘的揮霍，就是氦閃。
因此，太陽至少得經過60多億年，才有可能發生氦閃。所以，對於太陽會在未來幾十到幾百年發生氦閃的假定，太陽會直接否認三連：我不是，我沒有，別瞎説啊。
因此，太陽的氦閃自身是人畜無害的——假設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恆星核心發生氦閃導致的短期變化。[注2]
不過，氦閃還是會引起長期變化效應。氦核心的迅速膨脹會導致温度降低，進而導致殼層氫的温度與壓強也降低，導致紅巨星整體收縮。經過一萬年左右，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]表面温度也會升高一部分，顏色變為橙黃色。太陽再次成為橙色的亞巨星。
換句話説，氦閃不僅不會使恆星整體膨脹、變亮，反而會導致恆星整體收縮、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？
並非如此。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一直在緩慢升高。在太陽剛誕生時，它的亮度大約是現在的85%，然後在此後的幾億年下降到現在的75%，接着在此後至今的約40億年，太陽的亮度一直升高到現在的值。今後，太陽的亮度會繼續上升。在太陽的年齡為大約100多億年時（60億年後），它的亮度將是現在的2倍，如下圖實線所示。
越來越亮的太陽導致地球也越來越熱。在彗星等天體為早期的地球帶來大量的水之後，地球上一度有約90%的面積被水覆蓋。隨着太陽亮度不斷升高，這一比例降低到現在的約70%。
這是一種漫長的全球變暖效應，但不是因為二氧化碳排放導致的，而是太陽的亮度變化導致的。
隨着未來的太陽進一步變亮，地球也將進一步變暖。粗略估計，十幾或二十幾億年後，地球上的所有地面水都會被蒸發為雲，且不再下雨，天空全是雲。
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。氦閃之後，太陽從紅巨星收縮為亞巨星，短暫停留後，將重新膨脹為紅巨星甚至紅超巨星，併吞沒火星與木星。
此後，太陽將產生幾次噴發過程，噴發出的物質成為行星狀星雲，留下來的核心釋放出的光以X射線與紫外線為主。再經過一段時間，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。
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致的地球温度升高，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。“我們負責想象，有人負責實現。”
首先，人類可以移居火星。現在的火星還比較冷。但在太陽越來越亮之後，火星也會因此升温。雖然火星大氣稀薄，但那時候的人類應該有能力在火星製造出足夠的氧。
其次，建設若干太空城，並讓它們在適當的軌道繞太陽公轉。
第三，找到圍繞其他恆星的宜居行星，分批遷移。
以上的一些方案並不能一勞永逸。因為，在太陽膨脹為紅巨星之後，地球會被烤焦，火星也將太熱。因此在此之前人類要麼讓太空城移到更遠的軌道上圍繞太陽運轉，要麼移居其他星球。
在太陽成為白矮星之後，人類可能就只能移居其他星球了。
不過，太陽膨脹為紅巨星並最終成為白矮星，還需要至少60億年，那時候的人類應該有能力移居其他星球或想出其他更好的方案。
莊子曾經在《逍遙遊》裏説：“朝菌不知晦朔，蟪蛄不知春秋”。人類短暫的一生顯然遠遠短於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（傳説中的一種植物，見太陽就死）和蟪蛄（一種蟬）的壽命並無差異。然而，人類從開始有文字到現在也不過幾千年時間，卻已大致破解宇宙與恆星演化的奧秘。我們自然應當對我們的後代的智慧與生存技能更有信心。
註釋
[注1]根據量子力學中的“泡利不相容原理”，同種費米子在過度接近時都會產生這種量子力學效應，從而互相排斥。而電子、質子、中子都是費米子。例如，白矮星就是一種依靠電子簡併壓支撐的緻密星。
[注2]核心氦閃雖然無法被觀測到，但發生在氦殼層的“殼層氦閃”已經被觀測到，殼層氦閃會導致恆星亮度在幾天內增加100-1000倍，然後再快速下降。
[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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