當太陽變成紅巨星

〔美〕菲利普·布雷特

作為普通恒星的太陽

太陽的年齡：46億歲

（從現(xiàn)在起+0歲）

太陽目前正值中年：它差不多有46億歲，還能夠以一顆普通恒星的身份存活大概五六十億年。它正在其內(nèi)核穩(wěn)定地把氫聚變?yōu)楹?，過一段時間，氦成為太陽內(nèi)核的主要成分。不過即使在這樣極端的條件下，氦也無法聚變?yōu)樘己脱?。惰性氦在太陽的?nèi)核不斷“堆積”（為了形象，我們使用堆積這個詞，實際上，內(nèi)核中的物質(zhì)還是表現(xiàn)得像一種氣體，并且遵循氣體的物理規(guī)律）。隨著氦的積累，內(nèi)核的密度增加，溫度上升——受到壓縮的氣體會升溫。這些熱量必須有個去處，因此它輻射進上層并最終以光的形式離開太陽。

這個過程自從46億年前太陽內(nèi)核中的聚變反應被激活時就一直持續(xù)著。一直以來，太陽的內(nèi)核隨著氦的堆積和擠壓在緩慢地升溫。這個能量會經(jīng)過表面散發(fā)出去，因此隨著內(nèi)核的升溫，太陽越來越明亮。和剛開始發(fā)生聚變反應時相比，太陽的亮度提高了40％左右……而且，隨著更多的氦“砸”進它的心臟，太陽還會持續(xù)變亮。

變亮的太陽

太陽的年齡：57～81億歲

（從現(xiàn)在起+11～35億年）

太陽亮度的不斷增加是個問題。地球之所以能有今天的溫度，是由于它只截取了太陽發(fā)出能量的一部分。額外的能量意味著額外的熱度，這會使得地球升溫。由于目前對于全球變暖的關(guān)注，科學家們開始關(guān)注氣溫上升對于環(huán)境的影響。如果地球整體氣溫上升僅僅幾度，就會給人類帶來巨大的挑戰(zhàn)。

太陽能量輸出對于地球氣溫的影響很復雜，但總的來說，當太陽變亮時，地球變暖。太陽變亮的過程很緩慢，地球上的生命能夠適應這種變化。不過，當太陽的亮度比現(xiàn)在高10％時，地球的溫度也會上升10度，這對環(huán)境的影響是非常巨大的。一旦冰帽融化，各個大陸的沿海區(qū)域都會被淹沒。赤道附近會變得不適合人類居住，格陵蘭島和南極等地卻會變得比較溫暖。

極地的變暖不太可能彌補低緯度地區(qū)的損失，還有一個重要的影響：當空氣分子被加熱，它們移動的速度加快，而質(zhì)量較輕的分子加速更快。當空氣被加熱到一定程度時，這些分子可能會逃離地球！這就是為什么地球大氣中幾乎沒有氫和氦的原因；由于太輕，它們在數(shù)十億年前就“逃到”太空中去了。較重的分子，如H2O、N2，和O2，“忠誠地”留了下來。

如果空氣被更亮的太陽進一步加熱，較重的分子也有可能會逃到太空中。最終，大氣層溫度太高，無法“涵養(yǎng)”水蒸氣?？諝獗徽舾?，只留下干枯如沙漠的陸地。這對于陸地上生命的影響是致命的。

假定太陽的亮度隨著時間的推移穩(wěn)定地升高，上述情景大概會在11億年后出現(xiàn)。這離我們還很遙遠，從某種角度上講，還能起到一點點“安慰”作用。雖然它不會使我們擺脫引起地球氣溫變化的因素的困擾，但是只要你把發(fā)生的時間考慮進來，它確實能夠起到減壓的作用。

不過，我們終究無法逃避，而且，后面的情況更糟。

太陽會繼續(xù)變亮，再過24億年（從現(xiàn)在起35億年后），它的亮度比現(xiàn)在要增加40％。地球的氣溫大幅上升，海水全部蒸發(fā)。大氣層越發(fā)無法維系水蒸氣，它們會逃入太空。整個地球表面干得像骨頭一樣。海洋底部的沉積物暴露在太陽之下，其中的二氧化碳被釋放出來。二氧化碳是一種溫室氣體，它們吸收來自太陽的熱量并“儲藏”起來。地球被進一步加熱，釋放出的二氧化碳會產(chǎn)生一個厚厚的大氣層。很有可能再過幾十億年，地球會和今天的金星很像：表面溫度極高，外面包裹著一層基本上全部是由二氧化碳組成的濃厚的大氣層。

不過，即使這些厚厚的空氣最終也會進入太空。屆時，地球?qū)⒆兂梢粔K貧瘠的石頭，大氣蹤影全無，生命徹底絕跡。

再過幾十億年，地球會死去。對于堅守希望的人來說，有些生命是能夠挨過這個階段的。在南非的金礦深處，科學家發(fā)現(xiàn)了一群以那里的化學物質(zhì)為食的微生物。這些微生物本身是由巖石的自然放射產(chǎn)生的，不需要任何陽光，能夠在非常深的地下生存。因此，當?shù)厍虮砻嫔系乃猩锒荚?5億年后死去時，生命其實還能在地球的某個地方延續(xù)。當然這也起不到什么安慰作用，因為再過20億年，太陽才開始“真正”地傷害地球……

作為次巨星的太陽

太陽的年齡：109～116億歲

（從現(xiàn)在起+63～70億年）

在遙遠的未來，地球會被不斷變亮的太陽烤成不毛之地。不過，雖然地球的故事已講完，但是太陽的自傳才漸入佳境。

在出生約110億年后（距現(xiàn)在63億年），太陽的內(nèi)核將沒有足夠的“氫原料”用來聚變。整個內(nèi)核由氦組成，但是這時的溫度又不足以聚變生成碳和氧。氦核承載著太陽將近一半的質(zhì)量，而唯一的支撐來自內(nèi)核自身內(nèi)在的壓力。在巨大的“負擔”面前，氦核會進一步收縮。壓縮會使得氣體溫度上升。雖然內(nèi)核里已經(jīng)沒有氫，但太陽的外層擁有大量這種物質(zhì)——外部的壓力和溫度還沒有高到聚合氫的地步。

不過，在某個點上，壓縮的內(nèi)核將到達一個足夠高的溫度，以至于外圍薄薄的一層氫殼開始發(fā)生聚變反應。這會增加太陽內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，外層會向外擴張。當這種情況出現(xiàn)時，太陽的直徑大約會增加50％，亮度也會倍增。天文學家把這種恒星稱為“次巨星”。它比以前更大、更亮。但是，正如次巨星這個名字所示，它們未來還會變得比現(xiàn)在還要大、還要亮。

這種狀態(tài)能夠維持7億年。在此期間，太陽的亮度相對來講不會有太大變化，但是它的直徑會增長到目前直徑的1.5倍到2.3倍。

太陽的顏色也會發(fā)生變化。雖然太陽射出更多的能量，但是它的表面積的增加比能量的增加多得多，每平方英寸放射的能量反而比以前更小了。太陽的表面比現(xiàn)在“涼爽”了許多，溫度下降幾百度，顏色跟現(xiàn)在比也會呈現(xiàn)出更多的橘色。

由此給地球帶來的影響不大。在幾十億年不斷增強的“灼燒”下，太陽輕微的冷卻對地球幾乎不會有絲毫的影響。生命（除了那些地下的微生物）早就不存在了。

作為紅巨星的太陽

太陽的年齡：116～122.33億歲

（從現(xiàn)在起+70～76.33億年）

盡管已經(jīng)成為一顆次巨星，但是太陽的內(nèi)核還是在不斷地壓縮、升溫。與此同時，在內(nèi)核周圍薄薄的外殼中進行的氫聚變，也在源源不斷地向內(nèi)核中增添氦。“扮演”次巨星大約7億年后，當太陽差不多有116億歲時，內(nèi)核中氦的質(zhì)量到達一個關(guān)鍵點：它開始簡并——這種奇怪的狀態(tài)遵循量子力學定律，當物質(zhì)被擠壓到非常高的密度時會出現(xiàn)。一旦物質(zhì)發(fā)生簡并，它的行為開始變得“異?！薄Ｊ紫?，如果增加它的質(zhì)量，它反倒會收縮。同時，增加的質(zhì)量并不會“如你所愿”地增加簡并氣體內(nèi)部的壓強，只有溫度會上升。

隨著更多的物質(zhì)經(jīng)過氫聚變進入內(nèi)核，內(nèi)核會不斷收縮，溫度不斷上升，而壓強不會。增加的熱量同樣會進入外層，不過，這時的內(nèi)核處于簡并狀態(tài)，升溫上升得更多、速度更快。

雖然內(nèi)核出現(xiàn)簡并，太陽還將是現(xiàn)在的2.3倍大。當內(nèi)核不斷升溫，外層會再次以擴張作為對增加的熱量的回應，太陽會膨脹到現(xiàn)在的100～150倍（直徑超過1億英里）！同時，溫度下降一半，亮度（每秒散發(fā)的能量）增加到現(xiàn)在的2400倍。接下來的6億年，太陽像一個火紅的“燈塔”，它成為一顆紅巨星。

從地球上看，這種場景很可怕。今天，你可以用伸展的拇指輕松地擋住太陽光的照射；而在太陽處于紅巨星階段，它最終將占據(jù)整個天空的三分之一，很難估量它到底有多大。

當太陽擴張成為一顆紅巨星，會發(fā)生很多奇特的事情。比如，它的轉(zhuǎn)動速度會非常慢（幾乎像是在原地不動）。擴張過程中轉(zhuǎn)動速度的下降，就像滑冰的人們能夠通過伸展手臂降低旋轉(zhuǎn)速度一樣。旋轉(zhuǎn)速度的變化基本上是成比例的，因此，如果太陽以某一變量表示擴張了100，那么轉(zhuǎn)速也同樣會下降100?，F(xiàn)在，它轉(zhuǎn)動一圈需要一個月左右的時間，當它變成一顆紅巨星，轉(zhuǎn)動一圈需要3000天（八年多）。

伴隨著體積增大而來的另一個重要變化是：它表面的引力會大幅下降。一個物體表面的引力取決于這個物體的質(zhì)量和它的半徑。當太陽擴張成紅巨星時，質(zhì)量不變而半徑增加了100倍。這意味著其表面的引力會下降1萬倍?，F(xiàn)在，太陽表面的引力是地球的27倍（也就是說，在太陽表面，我的體重遠遠超過二噸）。當太陽膨脹為一顆紅巨星時，表面的引力會降到不足地球引力的1％。在太陽膨脹的表面，任何粒子都被“輕輕地”吸引著。

同時，太陽的亮度會增加2400倍（每平方英寸輻射出的能量都是膨脹之前的2400倍）。光線的動量能夠傳遞給表面的粒子，使得它們獲得向上的動力。對于太陽表面的氫原子來說，這就像是有人在關(guān)閉了“引力閥”的同時，開啟了一個巨大的“風扇”：表面的粒子會被“吹”走。

這股顆粒被稱作星風，它和太陽風類似，但是密度要高很多。實際上，作為紅巨星的太陽每年都會散發(fā)出其質(zhì)量的千萬分之一，比現(xiàn)在的太陽“慷慨”得多。

在太陽膨脹為紅巨星的過程中，這種“質(zhì)量流失”很嚴重。既然它的引力取決于質(zhì)量，質(zhì)量的下降必然帶來引力的下降，太陽周圍的行星會向外“遷移”（當太陽對它們的牽制力下降時，它們的軌道變得更大了）。

這是一場競賽！太陽體積的膨脹是否會吞噬其中的行星，這些行星能否及時逃離太陽的“血盆大口”？

對于水星來說，結(jié)果是很清楚的：鐵定沒跑。它目前與太陽之間的距離是3600英里——也就意味著在發(fā)令槍響時，它已經(jīng)被其他行星遠遠地甩在后面了。幾百萬年后，太陽會“趕上”并超越這顆星球，水星將“進入”太陽。

水星每88天繞太陽轉(zhuǎn)一圈，當它在這些物質(zhì)中跋涉，空氣阻力會減弱水星運行的速度（就像跳傘運動員打開了降落傘）。僅僅幾年后，水星的速度迅速下降并最終旋轉(zhuǎn)著進入太陽。在那里，密度更高的物質(zhì)使得這個“微小的”行星速度下降得更快。如果它一開始沒有被“蒸發(fā)”掉，水星會落入太陽的中心，走向死亡。

金星呢？就我們目前掌握的知識，還不能確定太陽擴張成為紅巨星后，金星是逃脫了或是被吃掉。有些模型表明它可以逃脫，而另一些則認為它和它的小弟兄（水星）具有相同的命運。不過，即使它能暫時躲過一劫（設(shè)法處在貪婪擴張的太陽表面以外），金星遲早也是要滅亡的。金星的表面原本就很熱（約464度），當太陽在金星的上空“發(fā)威”，它的溫度會扶搖直上，達到幾乎和太陽相同的溫度。金星的外殼會熔化，大氣層會被吹走。

地球的遭遇稍微好點兒。研究顯示，地球的軌道擴張速度比太陽要快（也有些人認為我們會被這顆不斷擴張的恒星吃掉）。天文學家對于有關(guān)細節(jié)還存在爭論，而這正是這場游戲中的關(guān)鍵因素。根據(jù)太陽擴張及其質(zhì)量流失的細節(jié)，地球與太陽之間的距離將是現(xiàn)在的1.4倍（目前地球距離太陽9300萬英里，因此當太陽停止擴張，這個距離會增加到1.3億英里）。

即使我們能擺脫被吃掉的厄運，也千萬別就此長出一口氣：記得吧。紅巨星是很大的。它會占據(jù)天空的絕大部分，向地球表面輻射高溫，地球表面的溫度將升至2500度左右（足夠熔化任何金屬和巖石）?？赡艹霈F(xiàn)的情況是，在太陽結(jié)束膨脹之前，地球就早已滅亡了（它的海洋已被蒸干，大氣也被奪走）。隨著太陽向紅巨星轉(zhuǎn)化，地球的外殼很有可能會熔化。

我們還可以嘗試著說一次“不過”。雖然地球會被整個“燉掉”，但是它并不是太陽系中唯一可用的行星?；鹦且材芴与x太陽，只是那里仍然會由于太熱而不適合居住；木衛(wèi)二是個冰體，其表面下方還可能有液態(tài)水存在。當太陽擴張成一顆紅巨星時，木衛(wèi)二整個蒸發(fā)了。

據(jù)我們所知，太陽系中此時可能已經(jīng)沒有地方適合生命存在了，即使天王星和海王星的衛(wèi)星也會非?！皽嘏?。要達到目前地球的溫度，只有在距離太陽45億英里外才有可能。在太陽系中，只有（目前）緩慢地繞著太陽運轉(zhuǎn)、經(jīng)過冥王星軌道的那些冰體可能足夠“涼爽”。當火紅的、膨脹的太陽照在它們身上時，它們會毫無保留地融化，變成一個非常巨大的一百英里左右寬的水滴。據(jù)說這些物體攜帶著有機物。當這些冰體升溫，會有很多有趣的事情發(fā)生在那些有機物身上。在太陽處于紅巨星狀態(tài)這段時間，這些冰體會長期處于液體狀態(tài)，而這其實又回避了問題的實質(zhì)：什么樣的生命能在這種環(huán)境下進化呢？

（摘自中央編譯出版社《地球的終結(jié)》一書）