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科幻小說《流浪地球》設定太陽會(hui) 在幾百年後發生氦閃，因此人類帶著地球流浪。電影《流浪地球2》將太陽發生氦閃的時間“提前”到2078年。在現實中，氦閃會(hui) 在幾百年後發生嗎？如果不會(hui) ，地球會(hui) 一直安全嗎？如果地球不再安全，人類有什麽(me) 辦法應對？

撰文 | 王善欽

在科幻小說《流浪地球》中，太陽會(hui) 在幾百年後發生氦閃毀滅地球，為(wei) 了生存，人類用行星發動機推動地球流浪。電影《流浪地球2》直接將太陽發生氦閃的時間“提前”到2078年。太陽真的會(hui) 在幾百年後發生氦閃嗎？如果不會(hui) ，那以後會(hui) 發生嗎？如果短期內(nei) 氦閃不會(hui) 發生，我們(men) 還會(hui) 遇到其他考驗嗎？

太陽和日球層天文台（SOHO）於(yu) 2003年10月 28日拍攝的帶有黑子的太陽的圖像。圖片來源：ESA

氦閃：幾十億(yi) 年後的事情

太陽的能源來自其核心的氫的聚變。氫聚變為(wei) 氦，釋放出的伽瑪射線向外傳(chuan) 播，將經過的物質加熱，使太陽發出光芒與(yu) 熱量。太陽內(nei) 部氫聚變的點火溫度約為(wei) 1500萬(wan) 度。

很多人對氦閃的誤解是：太陽內(nei) 部的氫在聚變為(wei) 氦的過程中發生氦閃。但實際上，氦閃是：太陽內(nei) 部的氦在聚變為(wei) 碳的過程中發生氦閃，而氦聚變需要的溫度大約是1億(yi) 度。

現在的太陽核心還處於(yu) 氫聚變過程，必須等到核心氫聚變過程結束，才會(hui) 啟動核心的氦聚變。然後才有氦閃。

根據計算，太陽核心氫聚變會(hui) 持續大約100億(yi) 年，而太陽才聚變了46億(yi) 年。因此，在此後至少50多億(yi) 年之後，核心氫聚變才會(hui) 結束，氦聚變才有可能啟動，氦閃才有可能發生。

所以，要想等到太陽氦閃，等50多年不夠，等幾百年也不夠，而是至少要等50多億(yi) 年。

即使等50多億(yi) 年，也不會(hui) 立即等到氦聚變和氦閃。因為(wei) 從(cong) 核心氫聚變結束到核心氦聚變啟動，中間還要經曆大約10億(yi) 年的間隔期。

在這10億(yi) 年中，太陽自身的引力壓縮已聚變為(wei) 氦的核心。核心的收縮導致引力勢能的一部分轉化為(wei) 熱，致使核心越來越燙，在某個(ge) 時刻讓核心之外的氫發生聚變，產(chan) 生的能量加熱了外部物質，導致外層膨脹。

這個(ge) 過程不斷進行，核心越縮越小、質量越來越大、溫度越來越高。與(yu) 此相反，太陽核心之外的物質層越脹越大、越來越冷。太陽因此先成為(wei) 橙色的亞(ya) 巨星，亮度為(wei) 太陽幾十倍；然後逐步成為(wei) 紅色的紅巨星，亮度達到太陽幾百倍。

太陽示意圖（左）與(yu) 太陽成為(wei) 紅巨星之後（右）的藝術想象圖。圖片來源：Department of Physics, NCKU

被高度壓縮的氦核心也開始產(chan) 生明顯變化：由於(yu) 核心內(nei) 部的電子被壓縮到太接近，產(chan) 生了強烈的排斥力。這種斥力不是同種電荷的電荷斥力，而是量子力學效應引起的。[注1]這種斥力被稱為(wei) “簡並壓”。這個(ge) 階段的氦核，就成為(wei) 簡並氦核。

當氦核的質量達到太陽質量的0.45倍、氦核中心的溫度達到大約1億(yi) 度時，氦核心啟動聚變反應，其綜合效果是：三個(ge) 氦聚變為(wei) 一個(ge) 碳。在太陽的氦聚變啟動前，它已處於(yu) 簡並狀態，這導致氦聚變立即失控。

導致失控聚變的原因是：簡並氦核的壓強以簡並壓為(wei) 主，而簡並壓對溫度很不敏感。氦聚變導致氦核溫度快速升高，但氦核的總壓強隻輕微增加，因此不會(hui) 通過膨脹來有效降溫；升高的溫度導致氦聚變速度升高，從(cong) 而又導致溫度繼續升高……

這樣就形成一個(ge) 正循環，就像你因為(wei) 學習(xi) 努力被老師表揚，因此更加努力，因此得到老師更多表揚，於(yu) 是瘋狂努力……

這樣的循環導致氦聚變的功率急劇增加到正常狀態的千億(yi) 倍以上，在幾分鍾內(nei) 就把氦核心的6%——整個(ge) 太陽質量的2.7%——燒成碳。這幾秒到幾分鍾的揮霍，就是氦閃。

因此，太陽至少得經過60多億(yi) 年，才有可能發生氦閃。所以，對於(yu) 太陽會(hui) 在未來幾十到幾百年發生氦閃的假定，太陽會(hui) 直接否認三連：我不是，我沒有，別瞎說啊。

太陽發生氦閃後，人類也無法觀測到劇烈的閃光。因為(wei) 氦閃釋放出的能量導致氦核膨脹，膨脹過程消耗了這些能量，沒有剩餘(yu) 能量傳(chuan) 遞到太陽表麵。另一方麵，氦核膨脹後從(cong) 簡並物質變為(wei) 普通物質，此後太陽內(nei) 的氦聚變平穩進行。

因此，太陽的氦閃自身是人畜無害的——假設太陽在成為(wei) 紅巨星時，太地球上還有人與(yu) 畜。所以也根本不存在氦閃立即毀滅人類的可能性。人類也尚未觀測到其他恒星核心發生氦閃導致的短期變化。[注2]

不過，氦閃還是會(hui) 引起長期變化效應。氦核心的迅速膨脹會(hui) 導致溫度降低，進而導致殼層氫的溫度與(yu) 壓強也降低，導致紅巨星整體(ti) 收縮。經過一萬(wan) 年左右，紅巨星的半徑收縮到原來半徑的2%，亮度降低到原來的2%，[注3]表麵溫度也會(hui) 升高一部分，顏色變為(wei) 橙黃色。太陽再次成為(wei) 橙色的亞(ya) 巨星。

夜空第四亮星——大角（Arcturus）——就是一顆橙黃色的亞(ya) 巨星。圖片來源：Greg Parker

換句話說，氦閃不僅(jin) 不會(hui) 使恒星整體(ti) 膨脹、變亮，反而會(hui) 導致恒星整體(ti) 收縮、變暗。

真正的太陽危機

既然太陽的氦閃得等至少60億(yi) 年，那人類就因此高枕無憂了嗎？

並非如此。這是因為(wei) ，除了早期幾億(yi) 年，太陽的亮度在過去幾十億(yi) 年的時間內(nei) 一直在緩慢升高。在太陽剛誕生時，它的亮度大約是現在的85%，然後在此後的幾億(yi) 年下降到現在的75%，接著在此後至今的約40億(yi) 年，太陽的亮度一直升高到現在的值。今後，太陽的亮度會(hui) 繼續上升。在太陽的年齡為(wei) 大約100多億(yi) 年時（60億(yi) 年後），它的亮度將是現在的2倍，如下圖實線所示。

在過去的大多數時間與(yu) 未來的時間裏，太陽亮度（實線）逐漸增加，半徑（長劃線）逐漸增大，溫度（虛線）在100億(yi) 年內(nei) 基本不變，100億(yi) 年之後開始降低——成為(wei) 紅巨星。橫坐標為(wei) 時間，單位是10億(yi) 年；縱坐標為(wei) 亮度，單位是太陽現在的亮度。圖片來源：Ignasi Ribas，arXiv:0911.4872,
doi:10.1017/S1743921309992298, S2CID 119107400

越來越亮的太陽導致地球也越來越熱。在彗星等天體(ti) 為(wei) 早期的地球帶來大量的水之後，地球上一度有約90%的麵積被水覆蓋。隨著太陽亮度不斷升高，這一比例降低到現在的約70%。

這是一種漫長的全球變暖效應，但不是因為(wei) 二氧化碳排放導致的，而是太陽的亮度變化導致的。

隨著未來的太陽進一步變亮，地球也將進一步變暖。粗略估計，十幾或二十幾億(yi) 年後，地球上的所有地麵水都會(hui) 被蒸發為(wei) 雲(yun) ，且不再下雨，天空全是雲(yun) 。

太陽在膨脹為(wei) 紅巨星的過程中，更會(hui) 因為(wei) 其巨大的亮度直接烤焦地球。氦閃之後，太陽從(cong) 紅巨星收縮為(wei) 亞(ya) 巨星，短暫停留後，將重新膨脹為(wei) 紅巨星甚至紅超巨星，並吞沒火星與(yu) 木星。

此後，太陽將產(chan) 生幾次噴發過程，噴發出的物質成為(wei) 行星狀星雲(yun) ，留下來的核心釋放出的光以X射線與(yu) 紫外線為(wei) 主。再經過一段時間，核心冷卻，成為(wei) 碳氧白矮星。這個(ge) 階段的太陽在可見光波段上又太暗了，整個(ge) 太陽係也將黯淡無光。

歐洲南方天文台（ESO）的甚大望遠鏡（VLT）拍攝的啞鈴星雲(yun) ，它就是一個(ge) 行星狀星雲(yun) 。幾十億(yi) 年後，我們(men) 的太陽應該也會(hui) 使這樣子。圖片來源：European Southern Observatory

人類何去何從(cong) ？

在太陽膨脹為(wei) 紅巨星之前，地球就已有了生存危險，因為(wei) 太陽亮度上升會(hui) 導致的地球溫度升高，從(cong) 而使地球也越來越不宜居。

不過，這個(ge) 變化過程至少要幾億(yi) 年才會(hui) 變得比較顯著，因此人類可以在這幾億(yi) 年想出各種辦法。“我們(men) 負責想象，有人負責實現。”

首先，人類可以移居火星。現在的火星還比較冷。但在太陽越來越亮之後，火星也會(hui) 因此升溫。雖然火星大氣稀薄，但那時候的人類應該有能力在火星製造出足夠的氧。

其次，建設若幹太空城，並讓它們(men) 在適當的軌道繞太陽公轉。

第三，找到圍繞其他恒星的宜居行星，分批遷移。

以上的一些方案並不能一勞永逸。因為(wei) ，在太陽膨脹為(wei) 紅巨星之後，地球會(hui) 被烤焦，火星也將太熱。因此在此之前人類要麽(me) 讓太空城移到更遠的軌道上圍繞太陽運轉，要麽(me) 移居其他星球。

在太陽成為(wei) 白矮星之後，人類可能就隻能移居其他星球了。

不過，太陽膨脹為(wei) 紅巨星並最終成為(wei) 白矮星，還需要至少60億(yi) 年，那時候的人類應該有能力移居其他星球或想出其他更好的方案。

莊子曾經在《逍遙遊》裏說：“朝菌不知晦朔，蟪蛄不知春秋”。人類短暫的一生顯然遠遠短於(yu) 宇宙中的各種天體(ti) 的年齡；在它們(men) 麵前，我們(men) 的一生的長短與(yu) 朝菌（傳(chuan) 說中的一種植物，見太陽就死）和蟪蛄（一種蟬）的壽命並無差異。然而，人類從(cong) 開始有文字到現在也不過幾千年時間，卻已大致破解宇宙與(yu) 恒星演化的奧秘。我們(men) 自然應當對我們(men) 的後代的智慧與(yu) 生存技能更有信心。

注釋

[注1]根據量子力學中的“泡利不相容原理”，同種費米子在過度接近時都會(hui) 產(chan) 生這種量子力學效應，從(cong) 而互相排斥。而電子、質子、中子都是費米子。例如，白矮星就是一種依靠電子簡並壓支撐的致密星。

[注2]核心氦閃雖然無法被觀測到，但發生在氦殼層的“殼層氦閃”已經被觀測到，殼層氦閃會(hui) 導致恒星亮度在幾天內(nei) 增加100-1000倍，然後再快速下降。

[注3] Taylor, David. The End Of The Sun,

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