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红巨星|真糟糕，也许太阳终将吞噬地球

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简介：我们的太阳如何变成红巨星？变成红巨星的太阳会带来什么？太阳系其他行星尤其是我们的地球的命运将会如何？
我有一个好消息 ， 也有一个坏消息 。
好消息是 ， 当太阳开始衰竭并膨胀成一个红巨星的时候 ， 我们坐拥绝佳观景位 。
坏消息是 ， 这个座位将会在太阳内部 。
不过别担心 ， 这场好戏70亿年后才会上演 。
不如让我们先来畅想下 ， 像太阳这样的恒星开始衰竭时会发生什么吧 。
太阳目前是一颗非常稳定的恒星 ， 其核心的氢正进行着核聚变 ， 转化为氦和能量 。 从核心释放到上层的能量是太阳保持膨胀的原因 ， 就像一个热气球一样 。 这一切 ， 已经持续了40亿年 。 但随着时间的推移 ， 氦会在核心积累 。 氦是惰性的 ， 氦聚变需要更大的压力和更高的温度 。 太阳就这样默默燃烧着 ， 直到约60亿年后 ， 其核心的氢会耗尽 。 这时 ， 太阳的核心会收缩 ， 中心温度会升高 ， 氢会在核外的一个薄壳内发生聚变 。 这将导致有更多的氦进入到核内 ， 使其进一步收缩和升温 。 最终 ， 几亿年后 ， 太阳的环境逐步恶劣 ， 使氦本身发生了聚变 。 上述过程循环往复 ， 唯独这一次 ， 在核内的氦聚变成碳和氧 ， 产生大量的能量* 。
这一切都发生在太阳核心的深处 ， 太阳外层对此反应缓慢 。 当氢壳聚变开始时 ， 外层会巨大膨胀 ， 太阳则变成一颗红巨星 。 当氦开始聚变时 ， 太阳会略微收缩 ， 然后在碳和氧积累时再次膨胀 。

红巨星|真糟糕，也许太阳终将吞噬地球
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太阳现在的大小(140万公里)与它在70亿年后变成红巨星时的大小对比图 。 1天文单位是现在地球到太阳的距离 ， 为1.5亿公里 。 图源：Oona R?is?nen
有趣的事情正要开始 。
当太阳变成红巨星时 ， 它一定会变得相当大 ， 大到足以吞没水星和金星 。 被吞噬后 ， 它们会在太阳内部存在一段时间 。 在穿过热等离子体的过程中 ， 它们的公转轨道会逐渐消失 ， 行星慢慢陨落 ， 最终完全蒸发 。
地球的命运却没有如此清晰 。 随着太阳逐渐膨胀 ， 它开始吹起一股亚原子粒子风 ， 就像现在的太阳风 ， 但密度要大得多 。 太阳质量的减少将导致其引力减弱 ， 这意味着行星的公转轨道将扩大 。 巧的是地球正好位于被红巨星太阳吞噬和侥幸逃离这两种命运的分界线上 。 这一切都将取决于到时候具体的情况 ， 比如太阳到底会损失多少质量 ， 这个话题在期刊上已经争论了有一段时间了 。

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这幅图描绘的是地球被膨胀成为红巨星的太阳烤焦的场景 。
图源：Wikimedia commons / fsgregs
我的硕士生导师诺姆·索克说他曾计算过这些垂暮的恒星的数据 。 在2018年发表的一篇论文中 ， 他研究了太阳将失去多少质量 。 如果一颗垂死的恒星吞没了一颗巨行星(比如木星) ， 那么它将失去很多质量 ， 因为这颗行星在其内部旋转 ， 就像用叉子搅动一碗鸡蛋液一样 。 恒星旋转得越快 ， 物质越容易剥落 。 许多恒星附近都有围绕其公转的巨行星 。
但如果恒星缺少这样一个近距离的行星 ， 它就不会失去那么多质量 。 这就意味着 ， 当这些恒星膨胀时 ， 它们仍然会抓住它们的内行星 。
那就是地球 。 水星和金星在太阳内部不会起太大的作用 ， 它们都会逐渐消失 ， 所以太阳风不会变得非常强 ， 太阳也会保持更多的质量 。 这意味着它的引力不会像之前认为的那样减小 。
反过来说 ， 当太阳膨胀成一颗红巨星时 ， 它会离地球非常近 ， 并且最终吞噬地球 。

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从现在起的75亿年内 ， 太阳的大小随时间的变化曲线(Gyr =十亿年) 。 上图：与太阳现在大小的对比(太阳目前的半径是70万公里) 。 下图：与地球公转轨道大小的对比 。 不同的物理模型以不同的颜色显示 ， 但都显示了太阳随着时间的推移不断膨胀、收缩和再膨胀 。 下图中 ， 如果太阳的大小超过1 ， 那它就会吞噬地球 。 好几个模型中都发生这样的情况 。

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如果侥幸存活 ， 情况也不容乐观 。 即使地球成功地留在太阳之外 ， 太阳也会膨胀到充满地球的天空 。 难耐的高温会使我们星球上的固体岩石沸腾 ， 所以无论是在太阳内部还是外部 ， 地球都将是一个被烤糊的星球 。

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当然 ， 以上讨论的都是78亿年后的地球 ， 大家不必过于担心 。 只是 ， 太阳确实正在慢慢升温 ， 再过几亿年地球就已经不适宜人类生存了 。
我希望无论人类在未来会变成什么样子 ， 我们都有足够的智慧离开银河系去寻找宜居的地方 。 也许我们真的可以像《流浪地球》中描述的一样把地球推走 ， 但老实说这很困难 。 因为太阳在红巨星阶段会有很大的波动 ， 导致地球仍需要围绕其公转 。

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比起这些 ， 现在还有更紧迫的事情需要我们关注 。 想知道未来会怎样总是一件有趣的事情 ， 也许我们可以从中学到一些重要的东西 。 珍惜现在所拥有的时间 ， 并尽我们所能地去利用好每一分每一秒 。 没有什么是永恒不变的 ， 行星和恒星亦或如此 。

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BY: Phil Plait
FY: 忙碌的北門
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