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太阳会发生氦闪,但与其说会对地球产生伤害,倒不如说会稍微“拯救”一下水深火热中的地球。因为太阳会在氦闪之前进入红巨星阶段,体积扩大到吞没金星轨道,光度飙升至现在的数千倍,地球虽然不至于被吞没,但地表温度将超过 1000℃,变得完全不适合人类生存。“氦闪”反而会使得太阳光度变低,体积变小,并进入一段相对平静的时期,地球的温度也能稍稍降低,甚至某些地区可以回到适合生命生存的程度。
下面就详细讲讲,氦闪究竟是什么,以及氦闪如何影响地球。
太阳的青壮年 -- 主序星
按照目前的理论,质量在太阳 0.8 倍~2 倍之间的恒星都会在红巨星阶段发生氦闪。而要介绍氦闪,还是要先从太阳的生命周期讲起。
我们都知道,恒星是一个等离子气体球,只不过这个气体球非常大非常热,热到在核心能够发生核聚变反应,氢聚变成了氦,并释放出能量,这就是太阳能量的来源。这个过程在天文学中被叫做“氢燃烧”。
氢是宇宙中最轻的元素,它的聚变条件最简单。恒星初生时,内部温度只能达到支持氢燃烧的程度,因此,恒星一开始都是燃烧氢的,这个反应会平稳的进行下去。恒星靠氢燃烧产生的辐射压对抗自身的引力,达到一个平衡状态。这时候,恒星的体积和亮度都不会变化,这个阶段被称为“主序星”阶段,算是恒星的青壮年时期。
由于恒星在初生时,90%都是由氢构成,因此氢燃烧可以持续很久很久。恒星 90%以上的时间都在主序星阶段度过。
恒星的寿命长短,取决于它的初始质量大小。质量小的恒星,氢燃烧进行的慢,寿命相对就较长。我们的太阳如今已经 50 亿岁了,但它仍然处于主序星阶段,还算是青壮年时期。
太阳的暮年 -- 红巨星
但再过 30 亿年左右,太阳核心的氢逐渐燃烧殆尽,烧剩下的“氦渣”开始向中心聚集。由于氦比氢重,它收缩产生的引力势能更大,太阳的中心温度开始升高,而氢燃烧开始向外层转移。外层的氢照比原来内核的氢燃烧的更剧烈,这会导致太阳的光度增加,同时体积也开始膨胀了起来。
由于膨胀带来的体积变化,要大于恒星光度增加的幅度,太阳表面温度会降低,颜色变红。太阳开始脱离主序,进入“红巨星”阶段。
此时,我们眼中的太阳变大变红了,也更热了。不过,其实这个过程是在缓慢发生的,目前太阳就在慢慢变亮,天文学家估算,太阳每 1 亿年光度会增加 1%,因此,对于地球而言,30 亿年后,地球就已经热的不再适合人类居住了。
而太阳进入红巨星阶段之后,它的变化将更加剧烈。在 1 亿年之内,太阳的半径会膨胀到如今的 100 倍,甚至能吞没金星。光度则能达到现在的数千倍。
由于太阳的质量减少,行星轨道会向外移动。地球虽然可以躲过一截,但表面温度会直接飙升到 1000℃以上。此时,如果人类文明还存在的话,应该早就带着地球跑路了。
太阳的回光返照 -- 氦闪
成为红巨星的太阳,内核在不断积累着氦,温度也不断升高。内核的氦在高温高压下,被压缩成了简并态。终于,当内核温度达到 1 亿 K 的时候,氦也开始了聚变。
此时,由于简并态的特殊性质,它并不会因为能量增加而体积膨胀,因此氦聚变产生的能量会迅速提高核心温度,导致氦聚变效率飙升,产生失控式的核反应,并释放出非常惊人的能量,在几秒钟内释放的能量就能与银河系相当。这个过程就被称为“氦闪”。
但是!氦闪虽然释放了巨大的能量,但它完全是在恒星核心内部产生的。这些能量会被太阳的壳层吸收掉,因此,氦闪基本上无法通过观测检测到,也就是说,根本不存在“氦闪使得恒星突然变亮许多,释放出巨大能量”这种情况。
恰恰相反,当氦闪的巨大能量消除了核心的简并态后,核心会迅速膨胀,冷却,使得恒星的光度变低,而体积也会随之回缩,回到主序星的几十倍大小,同时表面温度有所升高。
氦闪过后,太阳进入了氦燃烧的阶段,这是一段相对平稳的时期,太阳平静的燃烧着氦元素,体积和温度都不再改变。这被称为“水平分支”阶段。
在地球上看,氦闪之后的太阳变小变黄了,也比红巨星阶段冷了很多。它不再膨胀,不再变化,一切似乎回到了 30 亿年前岁月静好的样子。
然而,太阳并不会回到从前,“氦闪”只是它生命里的一次回光返照而已。很快,太阳就会迎来它行将就木的晚年。
太阳的晚年 -- 渐进巨星
氦燃烧比氢燃烧快得多,像是太阳这样的恒星,体内的氦只够燃烧 1 亿年。当核心的氦也燃烧的七七八八的时候,太阳的体积会再次膨胀,重新变成一颗红巨星。这个阶段被称为“渐进巨星”阶段。
这时候,太阳的变化要比红巨星阶段来的更加猛烈。它的体积会迅速膨胀到现在的 500 倍以上,即使是轨道外移的地球,也难逃被吞噬的命运。如果人类文明还能存在的话,此时只能考虑搬家到冥王星附近了。
不过,这也只能是权宜之计而已。因为这时的太阳已经是命不久矣了。
太阳的壳层的氢会重新开始燃烧,并在数万年的尺度上发生“壳层氦闪”,使得太阳在几百年中突然变亮数千倍,体积膨胀,表面温度进一步降低,并抛出大量物质。
之后,“壳层氦闪”会发生数次,太阳在一次次的脉动中失去 50%~70%的物质,最终,壳层不可避免的扩散出去,形成一朵漂亮的行星状星云,内核则坍缩形成一颗不再进行核反应,而是靠电子简并压对抗引力保持形状的致密星体 -- 白矮星。这就是太阳最终的结局。
氦闪的发生条件
那么,所有的恒星都会发生氦闪吗?
其实并不会。天文学家经过模型计算,只有质量区间在 0.8~2 倍太阳质量的中小质量恒星,才会发生氦闪。
质量小于 0.8 倍太阳质量的恒星,它内部的核心温度太低,始终达不到氦聚变的条件,自然也就无法发生氦闪。
而质量大于 2 倍太阳质量的恒星,它的核心压强更大,温度更高,在核心的氢还没有燃烧殆尽,核心变成简并态之前,温度就能飙升到 1 亿 K,氦聚变就被点燃了。氦核因此可以平静的燃烧,也不会发生氦闪。
而我们的太阳正好在氦闪发生的质量区间内,氦闪将是它的星生中不可避免的一段旅程。
好在,这再快也是 40 亿年之后的事了。想想,我们的地球如今也才 46 亿岁而已,而人类文明只有短短几十万年。我们还有很久很久的时间,去应对太阳的生老病死。