遙望太陽 珍愛地球
2019/12/11 10:52:56 來源:本站原創 編輯:梁彥
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  經歷了漫長時光后,太陽逐漸接近生命的盡頭。它的光芒開始增強,體積開始膨脹,表面逐漸接近原本距離太陽表面1.5億公里的地球軌道,并將它吞沒。這一幕并非杞人憂天,而是根據我們已知物理規律所得到的嚴謹科學結論——在未來某天,太陽會走到生命的盡頭。屆時,人類是不是該跑路,準備“流浪地球”了?不,現在就流浪,未免有點早。
  太陽作為太陽系的中心天體,采用核聚變的方式向太空釋放光和熱。在此過程中,太陽將分子量為1的氫原子核,經過3步中間過程,聚變成分子量為4的氦原子核,其中損失的質量轉化成了太陽發光發熱的能量。
  通過與太陽相同的核聚變原理,人類研發出氫彈,能夠產生巨大爆炸威力,是一種不可控的核聚變裝置。為了利用這種效率極高、清潔無污染的能量產生方式服務我們的生產生活,科學家們一直致力于可控核聚變裝置的研究。遺憾的是,雖然各國投入大量資源開展研發,目前距離可控核聚變裝置實用化,尚有很長一段距離。
  而太陽已經穩定進行了約46億年的可控核反應,持續不斷地用光和熱哺育整個太陽系。那么,控制太陽不變成一顆氫彈的力量來自哪里呢?

  平衡使太陽沒有成為氫彈
  其實,控制太陽不變成一顆氫彈的力量,就是我們熟悉的重力。從感覺上,司空見慣的重力似乎很難與毀天滅地的核反應相匹敵。但量變會引起質變,聚合成質量相當于33萬個地球的太陽組成物質,其所產生的重力,足以控制住核反應。可以說,重力與核反應之間的相互作用,主宰了太陽的生命印記。
  太陽這樣的恒星形成于原始星云,在自身重力作用下,組成原始星云的物質會不斷聚集收縮,密度和壓強不斷增大。而在人類制造的核聚變裝置中,要想像啟動汽車發動機一樣使核聚變開始,相當困難。因為在核聚變中,帶正電荷的原子核間存在靜電斥力,如同一座大山橫亙在核聚變發生的道路上,必須先有足夠的能量克服靜電斥力,才能讓發生聚變的原子核足夠接近。
  而太陽形成時,僅僅依靠重力的擠壓就點燃了核聚變。由于物質本身壓強產生的向外膨脹力,不足以抵御驅動物質向內收縮的重力,因而,星云中物質一邊聚集一邊向內收縮的過程可以不斷持續下去;其中心的密度和壓強持續增高,迫使氫原子核相互接近,進而觸發了核聚變反應開始。同時,恒星中聚集的質量又決定了核反應的速率——恒星質量越大,中心會受到更大重力壓迫,產生更高壓強,使更多氫原子核相互接近,核反應速率也就更高。
  當太陽逐步成為一顆成熟的恒星后,其核反應速率與恒星物質的重力達到了一種簡潔又精巧的平衡。如果太陽從平衡態向外膨脹,中心受到的擠壓減小,核反應速率會降低,產生的能量會減少,恒星中心的溫度會降低。由此,恒星中心向外膨脹的力無法支撐恒星向中心收縮的重力,膨脹過程將無法持續。反過來說,如果太陽向中間收縮,將會使核反應加速,產生更大向外膨脹的力,收縮過程同樣無法持續。總之,一旦步入壯年,太陽只能穩定在一個相對固定的個頭上。
  這種精巧的平衡并非太陽的專利,而是放之宇宙而皆準的基本原理。科學家們通過長期觀測積累后發現,處于壯年的恒星幾乎都處在這樣一種穩定的狀態中,被稱之為“主序恒星”。對它們來說,質量較大的、平衡狀態下的核反應速率要更高。

  太陽的終結與地球的流浪
  如同人有生老病死,上文所說的這種平衡也不能天長地久——太陽會在經歷一系列膨脹、爆炸與脈動后,最終歸于沉寂。
  而在這一切開始之前,人類得想辦法“跑路”,準備“流浪地球”了。由于太陽這個“大爐子”會隨著時間增長越燒越旺,當爐中燃料燃盡時,應該將灰燼請出,再加入新燃料繼續燃燒。然而,對太陽這樣的恒星,沒有外部的力量為它完成這個過程。核反應消耗氫,產生氦,都堆積在恒星內部。氦的分子數大于氫,因此恒星內部密度會隨著恒星年齡的增加而增大,內部核反應速率也會逐漸增加。
  研究計算表明,目前,太陽的核反應速率大概比太陽剛成為主序恒星時大30%,幾十億年后,不斷加快的太陽核反應速率會使太陽輻射出的能量約為目前2倍。在如此劇烈的輻射照耀下,地球表面溫度將達到上百攝氏度,海洋和湖泊中的液態水會被汽化。以我們目前的認知,包括人類在內的生物體是無法在這種環境下生存的——除非人們研發出了能夠遮擋太陽劇烈輻射的裝置。屆時,太陽仍處于主序恒星狀態。
  而再往后,太陽中心區的氫燃燒殆盡,停止了氫聚變成氦的熱核反應,變成了一個氦核。由于沒有了核反應對抗重力,恒星中心附近的物質開始向核心擠壓,不斷增高核心溫度;距離核心較遠的一些殘存氫在高溫作用下被點燃,驅動太陽外層不斷向外膨脹,相繼吞并水星與金星的軌道,并有可能吞沒地球的軌道。屆時,太陽已經退出了主序恒星行列,變成一顆紅巨星,這是恒星燃燒到后期所經歷的一個不穩定階段。
  接著,太陽進入了“內外兩開花”的狀態。除了外部的氫殼繼續發生核聚變反應外,內核殘存的氦在不斷增大的溫度作用下被“點燃”,發生了由氦聚變成碳的核反應,而這一時間短的讓人驚嘆——在數分鐘內,相當于太陽質量40%的氦被劇烈“燃燒”成碳,釋放出大致相當于太陽在當前狀態下持續數百萬年所釋放的能量。這種現象被科學家們稱之為“氦閃”。之后,太陽在繼續燃燒氦的同時,自身已無法回到平衡狀態,只能不斷交替膨脹與收縮,成為一顆脈動變星,即由脈動引起亮度變化的恒星。
  當氦再次燃盡時,太陽的生命也就走到了盡頭——太陽核心的物質將塌縮成一顆密度極高的白矮星,而外層物質則會向外擴張,形成行星狀星云。白矮星的密度極高,1立方厘米白矮星的質量就足有1噸。
  那么,屆時地球的命運會怎么樣呢?在紅巨星的演化過程中,吞并地球的軌道是大概率事件。之前有學者認為,由于太陽釋放的能量都是質量轉化來的,太陽總質量會隨著核反應進行而減少,地球受到的引力也會相應減小,會自發向遠離太陽的方向運動。然而,2008年發表在《皇家天文學會月刊》的一項研究發現,潮汐力會遲滯地球遠離太陽的腳步,否定了地球這樣逃出升天的可能。不過,在太陽變成紅巨星前,地球就已經被烤成一片不毛之地。如果坐等大自然的力量拯救我們,恐怕已經來不及了。

  被眷顧的星球
  要預知幾十億年后發生在太陽身上的事情,天文學家除了可以依靠理論計算和計算機模擬外,還能通過遙看處于不同“年齡”的漫天恒星來勾勒出恒星演化過程的全貌。牛頓、愛因斯坦以及一眾天文學家聯手保證,我們的太陽應該會按照前文描述過程走完一生。
  因此,大家無需擔心太陽會提前衰老并吞并地球。同時,這也許能讓我們再次發現家園——地球的可貴。這是一顆受到上天太多眷顧的星球,它處在太陽周圍的宜居帶里,可以允許液態水穩定存在孕育生命;較強的地磁場屏蔽了太陽高能粒子的侵襲,保護了大氣層不被太陽風吹走;太陽不會爆發過于強大的耀斑,否則地球將持續處于強X射線和伽馬射線的轟擊之中;大氣層的密度和成分能夠有效的調節溫度,讓我們處于既不冷又不熱的環境中;適度傾斜的地軸使大部分地區有了四季變化;地球軌道之外的太陽系其他大行星又吸引了不少可能撞擊地球的小天體。
  當這些有利因素集中到一起時,才讓這個星球上有了多姿多彩的生靈,孕育出人類生命。當我們將望遠鏡指向浩瀚的宇宙之中,試圖從繁星間找到一顆與我們同樣幸運的行星時,卻始終沒有一個確定性的發現。如果現在我們就踏上流浪之路,其實并不知道哪里才是安身之地。
  好在太陽生命的終結發生在幾十億年之后,現在的我們可以好好珍惜家園,不讓戰爭、污染、氣候變化、能源消耗將其破壞,將一個美麗多彩的地球一代一代傳下去。


摘自《經濟日報》

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