《流浪地球》中的科學奧秘:太陽何時吞併地球?
2019年02月12日13:23

原標題:《流浪地球》中的科學奧秘:太陽何時吞併地球?

經曆了漫長的時光後,太陽終於走到了生命的盡頭。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1億5千萬公里的地球軌道,並將它吞沒。這恐怖的場景並非杞人憂天的妄想,也不是科幻小說為了故事情節而編造的橋段,而是根據我們所認識的物理規律和觀測到的漫天星辰所得到的嚴謹的科學結論。在未來某天,這件事確定會發生。

那麼,我們是不是該準備跑路,準備“流浪地球”了?不,請先等等。現在就流浪,未免有點早。

太陽產生能量的方式

1945年,美國相繼向日本投下了兩顆原子彈,美國白宮在事後發表的聲明中說,原子彈將“太陽釋放能量的力量降臨到把戰爭帶給遠東的人”。

從科學上講,這句話存在些許偏差。和原子彈一樣,太陽釋放能量依靠的也是核反應。然而,原子彈使用的是重元素的核裂變,既一個分子量較高的元素通過鏈式反應,裂變成分子量較小的元素。說簡單一些,就是一個大原子核裂變成幾個小原子核。而太陽則走了一條方向相反的技術路線。太陽使用核聚變,將分子量為1的氫原子核(實質上就是一個質子),經過3步中間過程,聚變成分子量為4的氦原子核。無論是核裂變的大核變小核,還是核聚變的小核變大核,物質在核反應後的總質量均小於核反應之前,而損失的質量則轉化成了原子彈爆炸或者太陽發光發熱的能量,其基本原理可以用我們耳熟能詳的愛因斯坦質能方程E=mc^2來描述。

氫彈則利用了和太陽相同的核聚變原理,能夠產生更大的爆炸威力。氫彈一旦投放出去,就會在短時間內將自己的能量全部釋放出來,是一種不可控的核聚變裝置。為了利用這種效率極高又清潔無汙染的能量產生方式服務我們的生產與生活,科學家們一直致力於可控核聚變裝置的研究,使核聚變一段時間內持續穩定的向外輸出能量。

控製太陽的力量來自哪?

那麼,控製太陽不變成一顆氫彈力量來自於哪呢?其實,這種力量就是我們最熟悉的重力,讓牛頓的蘋果落到地面的重力。

從感覺上,司空見慣的重力似乎很難和毀天滅地的核反應相匹敵。但量變會引起質變,聚合成質量相當於33萬個地球的太陽的物質所產生的重力,已經足以控製住核反應。事實上,可以說是重力與核反應之間的相互作用主宰了太陽的生命印記。

當太陽已經是一顆成熟的恒星後,核反應的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,核反應的速率將會降低,產生的能量將會減少,恒星中心的溫度將會降低。這樣,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,產生更大的向外膨脹的力,收縮過程同樣無法持續。總之,一旦步入壯年,太陽想向外擴張時後勁不足,想向里收縮時又會受到很大的牴觸,因此只能穩定在一個相對固定的個頭上。

這種精巧的平衡並非我們太陽的專利,而是放之宇宙而皆準的一個基本原理。科學家們通過長期的觀測積累後,發現處於壯年的恒星幾乎都處在這樣一種穩定的狀態中。科學家們把處於這些狀態的恒星稱之為“主序恒星”。對於這些恒星來說,確切的平衡點位置與恒星的總質量有關。質量較大的恒星,平衡狀態下的核反應速率要高於質量較小的恒星。

太陽的終結與地球的流浪

如同人有生老病死一樣,這種平衡並不能天長地久,總有終結的一天。與人從衰老走向死亡的過程所不同的是,太陽生命終結的過程是豐富的、絢爛的、激烈的,在經曆一系列膨脹、爆炸與脈動後,最終歸於沉寂。

而在這一切開始之前,人類就得想辦法趕緊開始上路,成為“流浪地球”了。因為太陽這個天空中的大爐子,隨著時間的增長會越燒越旺。當煤爐中的煤燃盡時,我們會想辦法將灰燼請出再加入新煤保持爐火繼續燃燒。然而,對於太陽這樣的恒星,沒有外部的力量為它完成這個過程。核反應消耗氫、形成氦,而產生的氦就堆積在恒星內部。由於氦的分子數要大於氫,因此恒星內部的密度將會隨著恒星年齡的增加而增大,內部核反應的速率也會逐漸增加。

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%,而在55億年後(這個數字具體多大不同學者可能會有不同的結論,但總體上都是幾十億年的數量級),不斷加快的太陽核反應速率使得當時太陽輻射出的能量約已經是現在的2倍。

在如此劇烈的輻射照耀下,地球表面的溫度將超過300多攝氏度,海洋和湖泊中的液態水早已被汽化。以我們現在的認識,在這種環境下包括人類在內的生物體都是無法生存的。除非當時的人們研發出了能夠遮擋太陽劇烈輻射的裝置,否則就不得不踏上流浪之旅了。

此時,雖然地球已經成為一個無法為人類生存的世界,但此時的太陽還仍舊處於主序恒星狀態。

1、紅巨星

而再往後,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。由於沒有的核反應對抗重力,恒星中心附近的物質開始向核心擠壓,不斷增高核心的溫度。距離核心較遠的一些殘存的氫在核心釋放的高溫作用下被點燃,驅動的太陽的外層不斷向外膨脹,相繼吞併水星與金星的軌道,並有可能吞沒地球的軌道。此時的太陽已經退出了主序恒星的隊伍,變成了一顆紅巨星。

2、脈動變星

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”,發生了由氦劇變成碳的核反應。在數分鍾的時間內,相當於太陽質量40%的氦被劇烈的“燃燒”成碳,釋放的能量大致相當於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”。之後,太陽在繼續燃燒氦的同時,自身已經無法回到平衡的狀態,不斷的進行膨脹與收縮的交替,稱為一顆脈動變星。

當氦也再次燃盡時,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,而外層物質則會向擴張,形成行星狀星雲。白矮星的密度極高,一立方釐米的白矮星的質就足夠有一噸了。

3、地球的命運

那麼地球的命運會怎麼樣呢?在紅巨星的演化過程中,吞併地球的軌道是大概率事件。之前有學者認為,由於太陽釋放的能量都是質量轉化來的,由於太陽總質量會隨著核反應的進行而減少,地球受到的引力會相應的減小,地球會自發的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》的一項研究卻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,正如前文所述,在太陽變成紅巨星之前,地球就已經被烤成了一片不毛之地。如果坐等大自然的力量拯救我們,恐怕已經來不及了。 據科普中國

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