真糟糕，也許太陽終將吞噬地球

2021-08-06 10:12 作者:天文在線 0人讀過 | 我要投稿

簡介：我們的太陽如何變成紅巨星？變成紅巨星的太陽會帶來什么？太陽系其他行星尤其是我們的地球的命運將會如何？

我有一個好消息，也有一個壞消息。

好消息是，當太陽開始衰竭并膨脹成一個紅巨星的時候，我們坐擁絕佳觀景位。

壞消息是，這個座位將會在太陽內部。

不過別擔心，這場好戲70億年后才會上演。

不如讓我們先來暢想下，像太陽這樣的恒星開始衰竭時會發(fā)生什么吧。

太陽目前是一顆非常穩(wěn)定的恒星，其核心的氫正進行著核聚變，轉化為氦和能量。從核心釋放到上層的能量是太陽保持膨脹的原因，就像一個熱氣球一樣。這一切，已經(jīng)持續(xù)了40億年。但隨著時間的推移，氦會在核心積累。氦是惰性的，氦聚變需要更大的壓力和更高的溫度。太陽就這樣默默燃燒著，直到約60億年后，其核心的氫會耗盡。這時，太陽的核心會收縮，中心溫度會升高，氫會在核外的一個薄殼內發(fā)生聚變。這將導致有更多的氦進入到核內，使其進一步收縮和升溫。最終，幾億年后，太陽的環(huán)境逐步惡劣，使氦本身發(fā)生了聚變。上述過程循環(huán)往復，唯獨這一次，在核內的氦聚變成碳和氧，產生大量的能量*。

這一切都發(fā)生在太陽核心的深處，太陽外層對此反應緩慢。當氫殼聚變開始時，外層會巨大膨脹，太陽則變成一顆紅巨星。當氦開始聚變時，太陽會略微收縮，然后在碳和氧積累時再次膨脹。

太陽現(xiàn)在的大小(140萬公里)與它在70億年后變成紅巨星時的大小對比圖。1天文單位是現(xiàn)在地球到太陽的距離，為1.5億公里。圖源：Oona R?is?nen

有趣的事情正要開始。

當太陽變成紅巨星時，它一定會變得相當大，大到足以吞沒水星和金星。被吞噬后，它們會在太陽內部存在一段時間。在穿過熱等離子體的過程中，它們的公轉軌道會逐漸消失，行星慢慢隕落，最終完全蒸發(fā)。

地球的命運卻沒有如此清晰。隨著太陽逐漸膨脹，它開始吹起一股亞原子粒子風，就像現(xiàn)在的太陽風，但密度要大得多。太陽質量的減少將導致其引力減弱，這意味著行星的公轉軌道將擴大。巧的是地球正好位于被紅巨星太陽吞噬和僥幸逃離這兩種命運的分界線上。這一切都將取決于到時候具體的情況，比如太陽到底會損失多少質量，這個話題在期刊上已經(jīng)爭論了有一段時間了。

這幅圖描繪的是地球被膨脹成為紅巨星的太陽烤焦的場景。

圖源：Wikimedia commons / fsgregs

我的碩士生導師諾姆·索克說他曾計算過這些垂暮的恒星的數(shù)據(jù)。在2018年發(fā)表的一篇論文中，他研究了太陽將失去多少質量。如果一顆垂死的恒星吞沒了一顆巨行星(比如木星)，那么它將失去很多質量，因為這顆行星在其內部旋轉，就像用叉子攪動一碗雞蛋液一樣。恒星旋轉得越快，物質越容易剝落。許多恒星附近都有圍繞其公轉的巨行星。

但如果恒星缺少這樣一個近距離的行星，它就不會失去那么多質量。這就意味著，當這些恒星膨脹時，它們仍然會抓住它們的內行星。

那就是地球。水星和金星在太陽內部不會起太大的作用，它們都會逐漸消失，所以太陽風不會變得非常強，太陽也會保持更多的質量。這意味著它的引力不會像之前認為的那樣減小。

反過來說，當太陽膨脹成一顆紅巨星時，它會離地球非常近，并且最終吞噬地球。

從現(xiàn)在起的75億年內，太陽的大小隨時間的變化曲線(Gyr =十億年)。上圖：與太陽現(xiàn)在大小的對比(太陽目前的半徑是70萬公里)。下圖：與地球公轉軌道大小的對比。不同的物理模型以不同的顏色顯示，但都顯示了太陽隨著時間的推移不斷膨脹、收縮和再膨脹。下圖中，如果太陽的大小超過1，那它就會吞噬地球。好幾個模型中都發(fā)生這樣的情況。