太陽：我會(huì)不斷變胖，地球：這樣好么…… | 天問專欄
?太陽及地球最終將通向何處？圖片來源：http://www.bbc.com/earth/story/20150923-the-sun-creates-space-weather-that-affects-us-all
編者按
太陽，似乎是自夸父后羿神話時(shí)代起就亙古不變的存在。到了人類已然享用其綠色清潔能源的今天，太陽依舊生機(jī)勃勃，高懸天空、澤被大地。毫不夸張地講，地球上所有生物，包括地球自身的命運(yùn)，都與太陽息息相關(guān)。
經(jīng)歷了幾十萬年的進(jìn)化，人類已經(jīng)擁有了具備高級(jí)邏輯思維能力的大腦和進(jìn)行外太空探索的科學(xué)技術(shù)。此時(shí)必然要思考的問題之一，就是人類和這顆藍(lán)色星球的未來將會(huì)通向何處。若把這個(gè)“未來”放在天文學(xué)尺度上進(jìn)行討論，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它與太陽的命運(yùn)緊密相連。
假設(shè)人類沒有因毫無節(jié)制地破壞自然，最終自作自受地將自己毀滅；假設(shè)地球也不會(huì)遇到強(qiáng)烈到足以導(dǎo)致地球或人類的毀滅小行星撞擊地球事件，那么最后，地球的“壽終正寢”會(huì)發(fā)生在什么時(shí)候？以何種方式？是什么狀態(tài)？它的終結(jié)者會(huì)是它的締造者太陽嗎？那太陽的最終命運(yùn)又將如何呢？
《天問》專欄第九期，我們將在天文學(xué)的框架下來嘗試探索這些問題的答案，揭開太陽、地球及人類的終極命運(yùn)之謎。
撰文 | 鄧?yán)畈牛▏姨煳呐_(tái)）
責(zé)編 | 呂浩然
天問專欄
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要想回答上述問題，首先應(yīng)了解天文學(xué)上最常用的工具——赫羅圖，并以此為基礎(chǔ)來看看太陽作為一個(gè)普通恒星在赫羅圖上走過的一生。
赫羅圖與恒星的一生
什么是赫羅圖？答案很簡單：如果在一個(gè)沒有光污染，或者光污染不算很嚴(yán)重的地方，比如遠(yuǎn)離城市的郊區(qū)，在一個(gè)晴朗無月的夜晚仰望星空，任何人看到的都將是滿天星斗。
?圖1：美麗的星空中呈拱門形狀的銀河。地景是中國恒星觀測網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目（Stellar Observations Network Group, SONG）1米望遠(yuǎn)鏡（中），西華師范大學(xué)50厘米雙筒望遠(yuǎn)鏡（左）和觀測輔助設(shè)備的三個(gè)圓頂。橢圓中是仙女座大星云。（作者拍攝于紫金山天文臺(tái)青海觀測站）
圖1是一個(gè)在天文臺(tái)址上拍攝的典型的星空?qǐng)D片。這里的天空非常透明，星空十分壯觀，仙女座大星云（M31）肉眼可見，你會(huì)很自然地辨析星星的明暗。如果看得再仔細(xì)一點(diǎn)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)星星們的顏色其實(shí)也是有區(qū)別的。
面對(duì)這樣的星空，早期的研究者們把注意力主要放在天體位置的變化上，力求捕捉到相對(duì)大多數(shù)星星來講位置移動(dòng)明顯的個(gè)體，并最終在分析位置數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)行星及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律——這是由觀測星空引申出的包含許多數(shù)學(xué)、物理規(guī)律的天文研究成果。
時(shí)間來到二十世紀(jì)初，當(dāng)兩個(gè)腦洞大開的科學(xué)家抬頭看天時(shí)，他們覺得應(yīng)該給這些星星們排排隊(duì)：誰更亮，誰又更藍(lán)。這一排隊(duì)不要緊，用顏色從藍(lán)到紅作橫軸，亮度從暗到明作縱軸，天文學(xué)史上里程碑式的赫羅圖便由此誕生。這兩位另辟蹊徑、腦洞大開的天文學(xué)家，一位是丹麥的Ejnar Hertzsprung[1]，一位是美國的Henry Norris Russell[2]，赫羅圖（Hertzsprung-Russell Diagram）也正是以兩人的姓氏命名的。
天文學(xué)是一門觀測學(xué)科，這當(dāng)然多少是出于無奈，因?yàn)槲覀儫o法像物理、化學(xué)、生物學(xué)那樣直接用實(shí)驗(yàn)對(duì)象做實(shí)驗(yàn)。但天文觀測的好處是：研究對(duì)象的數(shù)目幾乎是無限的，即便是非常稀有的天體，我們?nèi)匀挥写罅繕颖究晒┙y(tǒng)計(jì)研究。赫羅圖就是通過這種統(tǒng)計(jì)研究進(jìn)而抽取規(guī)律的利器。
這里需要說明的是：星星直觀的明暗并非它自身發(fā)光多少的真實(shí)反映，因?yàn)榫嚯x是一個(gè)非常重要的參數(shù)。一個(gè)很亮的光源如果“擺”的很遠(yuǎn)，看起來也可以很暗，反之亦然。從赫羅圖上讀取恒星的演化軌跡，首要的假設(shè)就是：圖中展示的星星都是處在同一距離上的，這一點(diǎn)非常重要。
那么，現(xiàn)在讓我們來直觀感受一下太陽在赫羅圖上走過的路徑。
?圖2：赫羅圖，橫軸表示溫度（數(shù)字）或顏色（光譜型），縱軸表示光度，對(duì)數(shù)坐標(biāo)以太陽的光度為單位。從左上到右下的是主序，絕大部分恒星都處于這個(gè)序列上。主序從下到上是恒星質(zhì)量增大的方向。白色曲線表示太陽從形成到死亡演化的軌跡。圖片來源：http://chandra.harvard.edu/graphics/edu/formal/variable_stars/evolutionary_track.jpg
圖2是一張常規(guī)的赫羅圖：圖中的橫軸是溫度（單位：開爾文），從左至右顏色由藍(lán)變紅，是溫度下降的方向；縱軸是恒星的光度（單位時(shí)間從恒星表面輻射出的總能量，以太陽光度為標(biāo)準(zhǔn)單位，對(duì)數(shù)坐標(biāo)），從下往上是光度增加的方向。
圖中由左上（藍(lán)色）向右下（紅色）的一條恒星帶為主序帶。處于主序帶內(nèi)的所有恒星，其中央核心區(qū)皆正在進(jìn)行氫核聚變反應(yīng)，這個(gè)聚變過程可以在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)持續(xù)釋放出巨大能量。
圖中以太陽為起點(diǎn)的演化跡實(shí)線標(biāo)示了太陽依次經(jīng)過主序、亞巨星、氦殼層燃燒恒星、紅巨星、雙殼層燃燒恒星（簡稱AGB，漸近巨星）的演化歷程；隨后，太陽開始膨脹，圖中演化軌跡水平部分標(biāo)示的是時(shí)標(biāo)很短的行星狀星云狀態(tài)；在剝離外層星云物質(zhì)之后，太陽來到白矮星演化階段（左下），并最終在這條軌跡上耗盡所有能量，變得越來越暗、越來越冷，直至無跡可尋。
其實(shí)，在赫羅圖上，太陽的演化直接關(guān)系到地球命運(yùn)的“點(diǎn)”大概只有兩個(gè)：第一是主序上的太陽，第二是右上角的“紅巨星”及“漸進(jìn)巨星”。主序上的太陽為地球帶來了寧靜安詳，賜予萬物所需的能量，而變?yōu)椤凹t巨星”及“漸進(jìn)巨星”的太陽則可能是猙獰恐怖、令人絕望。為什么這么講？請(qǐng)各位看官繼續(xù)往下瞧。
寧靜安詳 vs. 恐怖猙獰
對(duì)人類歷史而言，太陽是平靜、和煦、亙古不變的。但在天文學(xué)家看來，這個(gè)“不變”是相對(duì)的，“亙古”二字實(shí)為人類歷經(jīng)的時(shí)標(biāo)太過短暫而產(chǎn)生的錯(cuò)覺。在赫羅圖上，當(dāng)把大量已知距離的恒星都畫在同一張圖上時(shí)，最為突出的特征就是絕大多數(shù)的恒星都會(huì)處于前文提到的主序帶上。這種特定區(qū)域內(nèi)的高度集中，其實(shí)反應(yīng)的是恒星在該區(qū)域內(nèi)停留的時(shí)間特別的長，用物理知識(shí)來解釋這種現(xiàn)象，即恒星此時(shí)正處于中心氫燃燒階段。
主序是恒星一生中最平穩(wěn)、持續(xù)時(shí)間最長的演化狀態(tài)，太陽目前就處于它的主序階段。雖然我們平日里覺得太陽“暖融融的”，其實(shí)它內(nèi)部的核聚變反應(yīng)時(shí)刻釋放著毀天滅地的巨大能量。
太陽表面每秒鐘輻射出的總能量相當(dāng)于其中心區(qū)域每秒鐘爆炸約一千億顆一百萬噸TNT當(dāng)量的氫彈，而太陽核心燃燒區(qū)域內(nèi)氫的總儲(chǔ)量可以自點(diǎn)燃開始支撐這個(gè)產(chǎn)能過程長達(dá)約一百億年之久！根據(jù)天文和地質(zhì)科學(xué)的研究，太陽目前的年齡大約是四十六億年，也就是說：太陽還可以繼續(xù)穩(wěn)定地在主序上度過五十億年以上。
那么，太陽終究有一天會(huì)耗盡中心的氫，這之后她將何去何從呢？用物理知識(shí)進(jìn)行簡單描述：當(dāng)中心氫核聚變能源耗盡后，太陽會(huì)收縮以保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；收縮將導(dǎo)致中心區(qū)域的溫度上升，并最終點(diǎn)燃中心以外的氫殼層（大爆炸合成的原初物質(zhì)及主序氫燃燒的產(chǎn)物）。
此時(shí)的太陽，中心由于沒有了能源而成為等溫體，外部的氫殼層燃燒區(qū)域因?yàn)檎w收縮會(huì)被加熱到比之前氫聚變時(shí)的核心還熱，因此這種殼層燃燒遠(yuǎn)比主序時(shí)的氫核燃燒效率更高，從而大大增加了表面輻射的總能量，也大大縮短了對(duì)應(yīng)階段的恒星壽命。太陽在這一階段將逐漸變得又大又亮，但表面因?yàn)轶w積膨脹、溫度下降而呈紅色，這就是紅巨星階段。
也正是因?yàn)樗w積的變化，從而引申出了我們最關(guān)心的問題：地球會(huì)因此而毀滅嗎？
地球的命運(yùn)
要回答這個(gè)問題，我們需要定量的佐證。將恒星演化理論應(yīng)用于太陽，我們可以精確地預(yù)測在紅巨星階段“太陽”能夠具有的最大半徑，同理也能較為準(zhǔn)確地推測出第二次變成紅色巨星，即漸近巨星星時(shí)“太陽”的大小。
假定地球繞太陽運(yùn)行的公轉(zhuǎn)軌道在未來的七十多億年保持現(xiàn)在的位置，通過下面的赫羅圖（圖3），我們可以為地球的命運(yùn)做一個(gè)預(yù)測。研究黑體輻射的物理學(xué)提供給了天文學(xué)家一個(gè)公式，這個(gè)公式把所有恒星的總輻射量、恒星的有效溫度和恒星半徑聯(lián)系在了一起，叫做斯特潘-玻爾茲曼定律。
借助這個(gè)定律，我們可以在剛才的赫羅圖上標(biāo)一條線，那是半徑等于地球當(dāng)前軌道半徑，且具有不同溫度的所有恒星在赫羅圖上位置的直線（圖3中的綠色粗線）。同時(shí)標(biāo)出的還有對(duì)應(yīng)金星（黃線）和水星（紅線）軌道半徑大小的位置。
?圖3：與圖2一樣，右上角加了三條平行直線。處于這些直線上的恒星，無論溫度多少，光度多高，其半徑都是一樣的。綠色表示恒星的半徑等于地球公轉(zhuǎn)軌道半徑，黃色對(duì)應(yīng)金星的軌道半徑，紅色對(duì)應(yīng)水星的軌道半徑。如果太陽演化軌跡的縱坐標(biāo)高于這些線，則表示太陽膨脹后會(huì)超過相應(yīng)太陽系行星的現(xiàn)有軌道，即那顆行星可能被太陽吞噬。
大約在太陽年齡為123億年時(shí)（也就是76億年之后），其大小將達(dá)到第一個(gè)最大值。從圖3可以看出，太陽的半徑完全超過了水星現(xiàn)在的軌道（圖中的紅點(diǎn)處），水星早就掛掉了。
隨后，太陽會(huì)大大地收縮，但也會(huì)比當(dāng)前的太陽大10倍以上，并在那里停留大約1億年，之后會(huì)向更大的體積發(fā)展。此時(shí)，太陽半徑會(huì)非常接近金星軌道，且變得十分暴躁（熱脈動(dòng)漸近巨星），此過程中會(huì)拋出大量的物質(zhì)。太陽表面拋射物質(zhì)在當(dāng)前就時(shí)有發(fā)生（日冕物質(zhì)拋射），今年記錄到了一次強(qiáng)度罕見的日冕物質(zhì)拋射，釋放的能量相當(dāng)于一千億顆100萬噸TNT當(dāng)量的氫彈。然而即便是這樣的拋射，也遠(yuǎn)遜于熱脈動(dòng)階段的普通拋射過程。
可以想象，那時(shí)暴躁的太陽隨便“打一個(gè)噴嚏”，近在咫尺的金星就會(huì)分分鐘被蒸發(fā)。因此，金星肯定會(huì)在這個(gè)階段掛掉。
那么，地球的命運(yùn)又將如何呢？當(dāng)太陽達(dá)到最大的時(shí)候，其外表面幾乎可以到達(dá)地球現(xiàn)在的位置（還有點(diǎn)距離），而那時(shí)其表面溫度大致是4000度！雖然太陽的表面沒有真的到達(dá)地球，但此時(shí)地球安全么？
如圖3所示，如果地球在未來幾十億年都保持在當(dāng)前的軌道上，那么，地球?qū)⑻幱诔砻芏鵁霟?span style="color: rgb(136, 136, 136);">（幾乎是當(dāng)今日冕的環(huán)境）的包裹之中。此時(shí)地球周邊的溫度（雖不是按常規(guī)的黑體輻射定義的）可以達(dá)到1萬度，甚至更高。
不僅如此，紅巨星階段的太陽會(huì)向外拋出大量的熾熱物質(zhì)。這種拋射往往呈非均勻的團(tuán)塊狀。在這樣的惡劣環(huán)境中，地球以固態(tài)球體形式繼續(xù)存在的可能性幾乎為零。天文學(xué)家預(yù)計(jì)，屆時(shí)地球應(yīng)該被融化，甚至氣化。這顆養(yǎng)育了人類及各繁榮物種的行星將在太陽的炙烤與“轟炸”下灰飛湮滅，但那是距現(xiàn)在至少76億年之后的一個(gè)場景。
?圖4：太陽處于紅巨星和漸近巨星階段，與其行星之間位置關(guān)系的直觀顯示。圖片來源：http://futurism.com/wp-content/uploads/2013/10/sun-red-giant.jpg
我們要杞人憂天嗎？
太陽在天文時(shí)間尺度上的演進(jìn)，對(duì)地球這顆行星有著無可回避的生殺大權(quán)。實(shí)際上，在茫茫宇宙中，恒星的演化進(jìn)程造成其行星系統(tǒng)的生生死死時(shí)刻都在發(fā)生，這是天體物理現(xiàn)象，地球和太陽系的其它行星皆無例外。
但人類需要為我們?cè)诎賰|年時(shí)間尺度上的未來擔(dān)憂么？筆者認(rèn)為大可不必。因?yàn)樵谖磥砺L的七十多億年間，能夠發(fā)生的事情還很多，以人類現(xiàn)在已經(jīng)具有的能力向前推進(jìn)，雖然不至于讓地球消失，但已經(jīng)可以使得她不再適合人類生存。需要特別說明一點(diǎn)，我們通過積累掌握的這些能力（即當(dāng)代的知識(shí)和科學(xué)技術(shù)）從牛頓算起也就是幾百年。如果把太陽的壽命比作一天，我們的這幾百年連一秒都談不上。在人們憂慮地球被太陽吞噬之前，真正需要擔(dān)憂的是其它太陽系小天體的來襲，甚至是我們?nèi)祟悆?nèi)部產(chǎn)生的一些致命因素。
最后需要特別說明，以上描述的太陽演化對(duì)地球的未來影響有很強(qiáng)的假設(shè)，即地球永遠(yuǎn)都待在現(xiàn)有的軌道上。這顯然是不盡合理的，有理論研究和觀測證據(jù)表明，行星是可以在其母星演化后期，在恒星風(fēng)（從恒星流失的物質(zhì)）等因素的作用下，被外推到可以安全生存的遠(yuǎn)軌道上（如圖4所示，在太陽半徑達(dá)到第一個(gè)極值時(shí)，地球的軌道半徑可能增加10%，因此暫時(shí)安全[3,4]）。
當(dāng)然，“生存”二字僅針對(duì)地球這個(gè)行星而言，其上寄生的任何生命的生存幾率都會(huì)因?yàn)闃O端物理?xiàng)l件而機(jī)會(huì)渺茫。多行星系統(tǒng)，如我們的太陽系，木星、土星這些大質(zhì)量行星在極其漫長的時(shí)標(biāo)下如何影響像地球這樣的小質(zhì)量巖石行星的軌道仍是待研究、待證實(shí)的科學(xué)問題。更不用說，在50億年以上的時(shí)間尺度上，仙女座大星云都將與銀河系碰撞并融合[5]。圖5是根據(jù)天文學(xué)家研究成果預(yù)言此過程的藝術(shù)想象，或許太陽與其它恒星相遇也有可能發(fā)生。
?圖5：37.5億年之后的星空。根據(jù)研究，我們的銀河系和河外星系仙女座大星云將在37.5億年后發(fā)生碰撞，圖中顯示的是藝術(shù)家根據(jù)科學(xué)預(yù)言繪制的想象圖景。如果那時(shí)仰望夜空，看到的將和現(xiàn)在完全不同。原圖來源：http://static.businessinsider.com/image/54c95ed069bedd863413dd96/image.jpg
那時(shí)，將產(chǎn)生遠(yuǎn)強(qiáng)于太陽自身演化本身的過程。此類過程將在太陽毀滅地球之前改變地球的最終歸宿，但這些過程是我們現(xiàn)在的科學(xué)和知識(shí)不能準(zhǔn)確預(yù)言的。
作者介紹：
鄧?yán)畈?，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員，中國科學(xué)院大學(xué)教授。1994年在意大利高等研究院（SISSA）獲得理學(xué)博士學(xué)位，1997年入選中國科學(xué)院“百人計(jì)劃”。一直從事恒星演化、星團(tuán)和銀河系方面的研究， 并承擔(dān)中國科學(xué)院大學(xué)“恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)與演化”課程多年。目前擔(dān)任國家天文臺(tái)“恒星與恒星系統(tǒng)”研究團(tuán)組首席研究員、中國恒星觀測網(wǎng)絡(luò)-SONG項(xiàng)目首席科學(xué)家。
參考文獻(xiàn)：
[1] "über die Sterne der Unterabteilung c und ac nach der Spektralklassifikation von Antonia C. Maury". Astronomische Nachrichten. 179 (24): 373–380. Bibcode:1909AN....179..373
[2] "Relations Between the Spectra and Other Characteristics of the Stars". Popular Astronomy. 22: 275–294. Bibcode:1914PA.....22..275
[3] “The one that go away”, Fortney, J., Nature, Volume 449, Issue 7159, pp. 147-148 (2007)
[4] “A compact system of small planets around a former red-giant star”, Charpinet et al., Nature, Volume 480, Issue 7378, pp. 496-499 (2011)
[5] “The collision between the Milky Way and Andromeda“, Cox, T. J.; Loeb, Abraham, MNRAS, 2008, 386, 461
