太陽：我會不斷變胖，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，都與太陽息息相關。
經歷了幾十萬年的進化，人類已經擁有了具備高級邏輯思維能力的大腦和進行外太空探索的科學技術。此時必然要思考的問題之一，就是人類和這顆藍色星球的未來將會通向何處。若把這個“未來”放在天文學尺度上進行討論，你就會發(fā)現(xiàn)，它與太陽的命運緊密相連。
假設人類沒有因毫無節(jié)制地破壞自然，最終自作自受地將自己毀滅；假設地球也不會遇到強烈到足以導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”會發(fā)生在什么時候？以何種方式？是什么狀態(tài)？它的終結者會是它的締造者太陽嗎？那太陽的最終命運又將如何呢？
《天問》專欄第九期，我們將在天文學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之謎。
撰文 | 鄧李才（國家天文臺）
責編 | 呂浩然
天問專欄
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要想回答上述問題，首先應了解天文學上最常用的工具——赫羅圖，并以此為基礎來看看太陽作為一個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：如果在一個沒有光污染，或者光污染不算很嚴重的地方，比如遠離城市的郊區(qū)，在一個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絡項目（Stellar Observations Network Group, SONG）1米望遠鏡（中），西華師范大學50厘米雙筒望遠鏡（左）和觀測輔助設備的三個圓頂。橢圓中是仙女座大星云。（作者拍攝于紫金山天文臺青海觀測站）
圖1是一個在天文臺址上拍攝的典型的星空圖片。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，你會很自然地辨析星星的明暗。如果看得再仔細一點，你會發(fā)現(xiàn)星星們的顏色其實也是有區(qū)別的。
面對這樣的星空，早期的研究者們把注意力主要放在天體位置的變化上，力求捕捉到相對大多數(shù)星星來講位置移動明顯的個體，并最終在分析位置數(shù)據(jù)的基礎上發(fā)現(xiàn)行星及其運動規(guī)律——這是由觀測星空引申出的包含許多數(shù)學、物理規(guī)律的天文研究成果。
時間來到二十世紀初，當兩個腦洞大開的科學家抬頭看天時，他們覺得應該給這些星星們排排隊：誰更亮，誰又更藍。這一排隊不要緊，用顏色從藍到紅作橫軸，亮度從暗到明作縱軸，天文學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。
天文學是一門觀測學科，這當然多少是出于無奈，因為我們無法像物理、化學、生物學那樣直接用實驗對象做實驗。但天文觀測的好處是：研究對象的數(shù)目幾乎是無限的，即便是非常稀有的天體，我們仍然有大量樣本可供統(tǒng)計研究。赫羅圖就是通過這種統(tǒng)計研究進而抽取規(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)光多少的真實反映，因為距離是一個非常重要的參數(shù)。一個很亮的光源如果“擺”的很遠，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，首要的假設就是：圖中展示的星星都是處在同一距離上的，這一點非常重要。
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，對數(shù)坐標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序列上。主序從下到上是恒星質量增大的方向。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），從左至右顏色由藍變紅，是溫度下降的方向；縱軸是恒星的光度（單位時間從恒星表面輻射出的總能量，以太陽光度為標準單位，對數(shù)坐標），從下往上是光度增加的方向。
圖中由左上（藍色）向右下（紅色）的一條恒星帶為主序帶。處于主序帶內的所有恒星，其中央核心區(qū)皆正在進行氫核聚變反應，這個聚變過程可以在相當長的時間內持續(xù)釋放出巨大能量。
圖中以太陽為起點的演化跡實線標示了太陽依次經過主序、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示的是時標很短的行星狀星云狀態(tài)；在剝離外層星云物質之后，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，在赫羅圖上，太陽的演化直接關系到地球命運的“點”大概只有兩個：第一是主序上的太陽，第二是右上角的“紅巨星”及“漸進巨星”。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“漸進巨星”的太陽則可能是猙獰恐怖、令人絕望。為什么這么講？請各位看官繼續(xù)往下瞧。
寧靜安詳 vs. 恐怖猙獰
對人類歷史而言，太陽是平靜、和煦、亙古不變的。但在天文學家看來，這個“不變”是相對的，“亙古”二字實為人類歷經的時標太過短暫而產生的錯覺。在赫羅圖上，當把大量已知距離的恒星都畫在同一張圖上時，最為突出的特征就是絕大多數(shù)的恒星都會處于前文提到的主序帶上。這種特定區(qū)域內的高度集中，其實反應的是恒星在該區(qū)域內停留的時間特別的長，用物理知識來解釋這種現(xiàn)象，即恒星此時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”，其實它內部的核聚變反應時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于其中心區(qū)域每秒鐘爆炸約一千億顆一百萬噸TNT當量的氫彈，而太陽核心燃燒區(qū)域內氫的總儲量可以自點燃開始支撐這個產能過程長達約一百億年之久！根據(jù)天文和地質科學的研究，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，太陽終究有一天會耗盡中心的氫，這之后她將何去何從呢？用物理知識進行簡單描述：當中心氫核聚變能源耗盡后，太陽會收縮以保持結構的穩(wěn)定性；收縮將導致中心區(qū)域的溫度上升，并最終點燃中心以外的氫殼層（大爆炸合成的原初物質及主序氫燃燒的產物）。
此時的太陽，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)域因為整體收縮會被加熱到比之前氫聚變時的核心還熱，因此這種殼層燃燒遠比主序時的氫核燃燒效率更高，從而大大增加了表面輻射的總能量，也大大縮短了對應階段的恒星壽命。太陽在這一階段將逐漸變得又大又亮，但表面因為體積膨脹、溫度下降而呈紅色，這就是紅巨星階段。
也正是因為她體積的變化，從而引申出了我們最關心的問題：地球會因此而毀滅嗎？
地球的命運
要回答這個問題，我們需要定量的佐證。將恒星演化理論應用于太陽，我們可以精確地預測在紅巨星階段“太陽”能夠具有的最大半徑，同理也能較為準確地推測出第二次變成紅色巨星，即漸近巨星星時“太陽”的大小。
假定地球繞太陽運行的公轉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做一個預測。研究黑體輻射的物理學提供給了天文學家一個公式，這個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。
借助這個定律，我們可以在剛才的赫羅圖上標一條線，那是半徑等于地球當前軌道半徑，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）。同時標出的還有對應金星（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軌道半徑，黃色對應金星的軌道半徑，紅色對應水星的軌道半徑。如果太陽演化軌跡的縱坐標高于這些線，則表示太陽膨脹后會超過相應太陽系行星的現(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（也就是76億年之后），其大小將達到第一個最大值。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（圖中的紅點處），水星早就掛掉了。
隨后，太陽會大大地收縮，但也會比當前的太陽大10倍以上，并在那里停留大約1億年，之后會向更大的體積發(fā)展。此時，太陽半徑會非常接近金星軌道，且變得十分暴躁（熱脈動漸近巨星），此過程中會拋出大量的物質。太陽表面拋射物質在當前就時有發(fā)生（日冕物質拋射），今年記錄到了一次強度罕見的日冕物質拋射，釋放的能量相當于一千億顆100萬噸TNT當量的氫彈。然而即便是這樣的拋射，也遠遜于熱脈動階段的普通拋射過程。
可以想象，那時暴躁的太陽隨便“打一個噴嚏”，近在咫尺的金星就會分分鐘被蒸發(fā)。因此，金星肯定會在這個階段掛掉。
那么，地球的命運又將如何呢？當太陽達到最大的時候，其外表面幾乎可以到達地球現(xiàn)在的位置（還有點距離），而那時其表面溫度大致是4000度！雖然太陽的表面沒有真的到達地球，但此時地球安全么？
如圖3所示，如果地球在未來幾十億年都保持在當前的軌道上，那么，地球將處于稠密而熾熱（幾乎是當今日冕的環(huán)境）的包裹之中。此時地球周邊的溫度（雖不是按常規(guī)的黑體輻射定義的）可以達到1萬度，甚至更高。
不僅如此，紅巨星階段的太陽會向外拋出大量的熾熱物質。這種拋射往往呈非均勻的團塊狀。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。天文學家預計，屆時地球應該被融化，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？
太陽在天文時間尺度上的演進，對地球這顆行星有著無可回避的生殺大權。實際上，在茫茫宇宙中，恒星的演化進程造成其行星系統(tǒng)的生生死死時刻都在發(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。
但人類需要為我們在百億年時間尺度上的未來擔憂么？筆者認為大可不必。因為在未來漫長的七十多億年間，能夠發(fā)生的事情還很多，以人類現(xiàn)在已經具有的能力向前推進，雖然不至于讓地球消失，但已經可以使得她不再適合人類生存。需要特別說明一點，我們通過積累掌握的這些能力（即當代的知識和科學技術）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，真正需要擔憂的是其它太陽系小天體的來襲，甚至是我們人類內部產生的一些致命因素。
最后需要特別說明，以上描述的太陽演化對地球的未來影響有很強的假設，即地球永遠都待在現(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（從恒星流失的物質）等因素的作用下，被外推到可以安全生存的遠軌道上（如圖4所示，在太陽半徑達到第一個極值時，地球的軌道半徑可能增加10%，因此暫時安全[3,4]）。
當然，“生存”二字僅針對地球這個行星而言，其上寄生的任何生命的生存幾率都會因為極端物理條件而機會渺茫。多行星系統(tǒng)，如我們的太陽系，木星、土星這些大質量行星在極其漫長的時標下如何影響像地球這樣的小質量巖石行星的軌道仍是待研究、待證實的科學問題。更不用說，在50億年以上的時間尺度上，仙女座大星云都將與銀河系碰撞并融合[5]。圖5是根據(jù)天文學家研究成果預言此過程的藝術想象，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，圖中顯示的是藝術家根據(jù)科學預言繪制的想象圖景。如果那時仰望夜空，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，將產生遠強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)在的科學和知識不能準確預言的。
作者介紹：
鄧李才，中國科學院國家天文臺研究員，中國科學院大學教授。1994年在意大利高等研究院（SISSA）獲得理學博士學位，1997年入選中國科學院“百人計劃”。一直從事恒星演化、星團和銀河系方面的研究， 并承擔中國科學院大學“恒星內部結構與演化”課程多年。目前擔任國家天文臺“恒星與恒星系統(tǒng)”研究團組首席研究員、中國恒星觀測網絡-SONG項目首席科學家。
參考文獻：
[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
