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太阳正在减肥,地球将会怎样?

在地球上,生命已经繁衍、进化、相互共存了数十亿年。这得益于地球上丰富的物质储备——液态水、大气层以及各种元素的原子、分子,也得益于太阳系的“老大”——太阳。

由于太阳一直给地球提供能量,生命才有“力气”进行新陈代谢,又由于太阳“不远不近”,热度正好,地球才拥有合适的温度和气候,从物质中孕育出生命。显然,如果太阳出了什么问题,那么地球的宜居性很可能就会被破坏。令科学家担忧的是,太阳虽然占据了太阳系99.8%的质量,但它的质量正一天天变轻,经历足够长的时间,“减肥”后的太阳将会给地球生命带来毁灭性的影响。

恒星应该有多热?

大约50亿年前,一片巨大的分子云在万有引力的作用下,发生了质量塌缩。越来越多的物质被吸引到分子云的中心,形成了一个不断成长的原始太阳。在原始太阳的周围,分子云的其余物质摊平,形成一个原行星盘,盘内种下了太阳系未来行星、卫星、陨星的种子。

随后,两种力量展开了一场竞赛:万有引力试图让我们的原始太阳以及原行星盘内的天体继续长大;来自我们的原始太阳以及外部恒星的辐射压力,试图将尘埃吹走。当辐射压力开始占上风的时候,我们的太阳和行星就不能继续生长了,没有物质继续被吸积下来,现代的太阳系就形成了。这时,我们太阳系的质量达到了顶峰,随着它不断通过核聚变将轻元素变为重元素,它释放能量的力度会越来越猛烈。

初生太阳的质量只会变得越来越轻,同时它所释放的能量只会越来越多,这意味着它会变得越来越热——这看上去是不是有点矛盾?毕竟,在我们的直觉里,质量越大的恒星似乎应该越热。

事实上,决定一个恒星该有多热的因素只有两个,而且它们相互制约。考虑到恒星的能量源自于自身轻元素的核聚变反应,科学家列举出了这两个因素:第一个因素是恒星核心区域的温度。如果这里的温度更高,这意味着每一个粒子的能量就更多,那么,当两个粒子碰撞时,发生核聚变的可能性就更大。第二个因素是核聚变区域的大小。如果能够发生核聚变的区域更大,那么相同时间内,核聚变引发的链式反应会更多。

如果我们研究、对比两个不同的恒星,质量更大的那个自然倾向于达到更高的核心温度,并且拥有一个更大的核聚变区域。但是如果我们只单独讨论一个恒星,情况就会有所不同。

质量越轻的太阳越热

太阳在燃烧时,通过将氢聚变成氦,获得能量。质子—质子链反应是太阳进行核聚变的主要方式,反应的最终产物是氦-4,其质量轻于起初的反应物——氢,质量损失大约有0.7%。核聚变反应遵循爱因斯坦的质能方程,损失的质量将会转化成能量。

核聚变反应进行时,太阳的质量缓慢地下降着,核心区域产生的能量传输到表面,反应后的氦,因为较重会进一步沉积到太阳的中心。在那里,氦无法发生核聚变,所以在氦富集的中心区域,单位体积内发生的核聚变会减少。没有核聚变,辐射会减少,所以氦富集的区域会在自身引力的作用下塌缩。但引力塌缩会释放能量,这意味着大量的热能被传输到太阳表面。

因此,随着太阳慢慢“变老”,氦越来越多,引力塌缩越来越厉害,太阳核心区域的温度会越来越高,同时,核聚变区域也将会向外扩张。总体上看,太阳上核聚变的速度和核聚变的区域正随着时间的流逝而增大。这导致太阳(以及所有与之相似的恒星)向外输出的能量会越来越多。而传输到太阳表面的能量不仅会导致光的发射,还会将太阳光球层上的一些粒子“吹”走。电子、质子甚至更重的原子核都可以获得足够的能量,从太阳表面喷射出来,形成所谓的太阳风。这些带电粒子会传播到整个太阳系,大部分会完全逃离太阳系,少部分会撞击到行星的大气层,从而导致我们在地球上看到的极光。

难以阻挡的趋势

在过去的几十亿年里,太阳变得越来越热,但质量也越来越轻。直到今天,科学家观察到的太阳风,规模大致是恒稳的,太阳核聚变能量的输出比最初大约已经增加了20%。如今,科学家根据观察太阳风和太阳上的核聚变,测算了太阳到底变轻了多少。结果发现,太阳风每秒能带走大约160万吨的物质,每过1.5亿年,太阳将会由于太阳风而失去一个地球质量。因此,到目前为止,太阳风已经带走了30多个地球质量。

不过,太阳从核聚变中失去的质量比这还要多。太阳能量的输出功率是一个相对稳定的值,约为4×1026瓦,这意味着太阳每秒钟会把大约400万吨的质量转化为能量。从核聚变中,太阳每秒钟损失的质量是太阳风的2.5倍。科学家估计,在过去的45亿年里,太阳由于核聚变已经损失了大约95个地球质量,相当于一个土星。

随着时间的推移,太阳失去的质量将会越来越多,太阳自身将会变得越来越轻。在大约10到20亿年之后,太阳将会变得非常热,地球的海洋将完全蒸发掉,地表将不再有液态水。特别是当它在50亿年后进入红巨星阶段时,氦元素在太阳核心区域的积聚意味着地球会被加热到更高的温度。科学家估算,如今的地球已经用完了大约四分之三的宜居时间。当太阳继续变轻时,包括人类在内的地球生命都将迎来世界末日,除非我们拥有足够强大的科技来面对太阳变热的问题。

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