书城科普读物地球的终结
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第66章 作为红巨星的太阳

太阳的年龄:116~122.33亿岁(从现在起+7~76.33亿年)

尽管已经成为一颗次巨星,但是太阳的内核还是在不断地压缩、升温。与此同时,在内核周围薄薄的外壳中进行的氢聚变,也在源源不断地向内核中增添氦。扮演“次巨星”大约7亿年后,当太阳差不多有116亿岁时,内核中氦的质量到达一个关键点:它开始简并——这种奇怪的状态遵循量子力学定律,当物质被挤压到非常高的密度时会出现。一旦物质发生简并,它的行为开始变得“异常”。首先,如果增加它的质量,它反倒会收缩。当你往一个泥球上继续扔泥巴时,它越来越大;如果你往一个简并物质构成的球上扔更多的这种物质,它会神奇地变小。量子力学,它真的很奇特。同时,增加的质量并不会“如你所愿”地增加简并气体内部的压强(一会儿你会发现这很重要),只有温度会上升。

随着更多的物质经过氢聚变进入内核,内核会不断收缩,温度不断上升,而压强不会。增加的热量同样会进入外层,不过,这时的内核处于简并状态,升温上升得更多、速度更快。

虽然内核出现简并,太阳还将是现在的2.3倍大。当内核不断升温,外层会再次以扩张作为对增加的热量的回应,太阳会膨胀到现在的1~15倍(直径超过1亿英里)!同时,温度下降一半,亮度(每秒散发的能量)增加到现在的24倍。接下来的6亿年,太阳像一个火红的“灯塔”,它成为一颗红巨星。

从地球上看,这种场景很可怕。今天,你可以用伸展的拇指轻松地挡住太阳光的照射;而在太阳处于红巨星阶段,它最终将占据整个天空的三分之一,很难估量它到底有多大。那时,拿一把直尺,把你的左手放在一端,右手放在24英寸的地方,手臂无限地向外伸。当太阳处于红巨星阶段的顶峰时,它刚好填满你两手之间的空隙!很难以年为单位观察它的变化,但是随着时间的推移,它确实会长到那么大,赫然挂在你的头上。

当然,那时你早已不存在了。

当太阳扩张成为一颗红巨星,会发生很多奇特的事情。比如,它的转动速度会非常慢(几乎像是在原地不动)。扩张过程中转动速度的下降,就像滑冰的人们能够通过伸展手臂降低旋转速度一样。旋转速度的变化基本上是成比例的,因此,如果太阳以某一变量表示扩张了1,那么转速也同样会下降1.现在,它转动一圈需要一个月左右的时间,当它变成一颗红巨星,转动一圈需要3天(8年多)。

伴随着体积增大而来的另一个重要变化是:它表面的引力会大幅下降。一个物体表面的引力取决于这个物体的质量和它的半径。当太阳扩张成红巨星时,质量不变而半径增加了1倍。这意味着其表面的引力会下降1万倍。现在,太阳表面的引力是地球的27倍(也就是说,在太阳表面,我的体重远远超过2吨)。如果我老婆做饭,我的体重会重一些。当太阳膨胀为一颗红巨星时,表面的引力会降到不足地球引力的1%。在太阳膨胀的表面,任何粒子都被“轻轻地”吸引着。

同时,太阳的亮度会增加24倍(每平方英寸辐射出的能量都是膨胀之前的24倍)。光线的动量能够传递给表面的粒子,使得它们获得向上的动力。对于太阳表面的氢原子来说,这就像是有人在关闭了“引力阀”的同时,开启了一个巨大的“风扇”:表面的粒子会被“吹”走。

这股颗粒被称作星风,它和太阳风类似,但是密度要高很多。实际上,作为红巨星的太阳每年都会散发出其质量的千万分之一,比现在的太阳“慷慨”得多。目前来说,太阳每年仅仅丢失其质量的1/114(百万亿分之一)。很显然,这个数量非常非常小。

在太阳膨胀为红巨星的过程中,这种“质量流失”很严重。既然它的引力取决于质量,质量的下降必然带来引力的下降,太阳周围的行星会向外“迁移”(当太阳对它们的牵制力下降时,它们的轨道变得更大了)。

这是一场竞赛!太阳体积的膨胀是否会吞噬其中的行星,这些行星能否及时逃离太阳的“血盆大口”?

对于水星来说,结果是很清楚的:铁定没跑。它目前与太阳之间的距离是36英里——也就意味着在发令枪响时,它已经被其它行星远远地甩在后面了。几百万年后,太阳会“赶上”并超越这颗星球,水星将“进入”太阳。

接下来会发生什么呢?

有趣的是,虽然变成了一颗红巨星,但是太阳的质量基本上保持不变,它的体积增加了很多(是现在的1万倍),因此其密度也会相应地下降。实际上,它的质量大部分集中在其内核中,外层的密度很低(外层的密度小于地球大气层密度的千分之一,几乎相当于实验室条件下的真空)。

不过,那里是有物质存在的(虽然可能比较稀薄)。水星每88天绕太阳转一圈,当它在这些物质中跋涉,空气阻力会减弱水星运行的速度(就像跳伞运动员打开了降落伞)。仅仅几年后,水星的速度迅速下降并最终旋转着进入太阳。在那里,密度更高的物质使得这个“微小的”行星速度下降得更快。如果它一开始没有被“蒸发”掉,水星会落入太阳的中心,走向死亡。

当然,如果太阳物质的“拖曳”降低了水星的速度,反过来也是事实:水星会使得太阳外层的物质加速。当水星缓慢地旋入太阳,太阳的旋转速度会增加——不会很明显,也就是百分之一二的样子。当这个过程最终结束,太阳系中曾有的、被称为水星的行星留下的唯一迹象就是使得太阳旋转的速度增加了一点点。

金星呢?就我们目前掌握的知识,还不能确定太阳扩张成为红巨星后,金星是逃脱了或是被吃掉。有些模型表明它可以逃脱,而另一些则认为它和它的小弟兄(水星)具有相同的命运。不过,即使它能暂时躲过一劫(设法处在贪婪扩张的太阳表面以外),金星迟早也是要灭亡的。金星的表面原本就很热(9华氏度),当太阳在金星的上空“发威”,它的温度会扶摇直上,达到几乎和太阳相同的温度。金星的外壳会熔化,大气层会被吹走。

地球的遭遇稍微好点儿。研究显示,地球的轨道扩张速度比太阳要快(也有些人认为我们会被这颗不断扩张的恒星吃掉)。天文学家对于有关细节还存在争论,而这正是这场游戏中的关键因素。很多天文方面的老书都认为当太阳变成一颗红巨星时地球肯定会被吞掉,不过那些研究没有考虑太阳的质量随着它的超级太阳风而减少,以及随之出现的行星轨道直径的增加。根据太阳扩张及其质量流失的细节,地球与太阳之间的距离将是现在的1.4倍(目前地球距离太阳93万英里,因此当太阳停止扩张,这个距离会增加到1.3亿英里)。记住,这是到达太阳中心的距离。距太阳表面差不多5万英里左右。

即使我们能摆脱被吃掉的厄运,也千万别就此长出一口气:记得吧,红巨星是很大的。它会占据天空的绝大部分,向地球表面辐射高温,地球表面的温度将升至25度左右(足够熔化任何金属和岩石)。可能出现的情况是,在太阳结束膨胀之前,地球就早已灭亡了(它的海洋已被蒸干,大气也被夺走)。随着太阳向红巨星转化,地球的外壳很有可能会熔化。

我们还可以尝试着说一次“不过”。虽然地球会被整个“炖掉”,但是它并不是太阳系中唯一可用的行星。火星也能逃离太阳,只是那里仍然会由于太热而不适合居住;木卫二(Europa,木星的卫星)是个冰体,其表面下方还可能有液态水存在。当太阳扩张成一颗红巨星时,木卫二整个蒸发了。

据我们所知,太阳系中此时可能已经没有地方适合生命存在了,即使天王星和海王星的卫星也会非常“温暖”。要达到目前地球的温度,只有在距离太阳45亿英里外才有可能。在太阳系中,只有(目前)缓慢地绕着太阳运转、经过冥王星轨道的那些冰体可能足够“凉爽”。当火红的、膨胀的太阳照在它们身上时,它们会毫无保留地融化,变成一个非常巨大的一百英里左右宽的水滴。据说这些物体携带着有机物。当这些冰体升温,会有很多有趣的事情发生在那些有机物身上。在太阳处于红巨星状态这段时间,这些冰体会长期处于液体状态,而这其实又回避了问题的实质:什么样的生命能在这种环境下进化呢?