【原】太陽死亡后木星可能替代太陽？每顆行星都將有環(huán)，但地球再無機會

星辰大海種花家 2019-09-11

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太陽未來將成為紅巨星，這一點《流浪地球》中已經(jīng)科普到路人皆知，但太陽為何會變成紅巨星，地球又會是怎樣的一種死亡過程，也許大家可能都不太清楚，下面來簡單分析下太陽和地球的未來會是一個如何的發(fā)展過程。

《流浪地球》中描述的氦閃和紅巨星有什么關(guān)系？

關(guān)于氦閃《流浪地球》的粉絲肯定了解這是太陽發(fā)展過程中的一個階段，但太陽為什么會氦閃劇中并沒有交代，包括很多科普文中也僅僅表示氦元素堆積，燃燒劇烈導(dǎo)致氦閃，大致描述上并沒有錯，但總覺得缺少點什么，下面就把這缺少的這點給補上。

質(zhì)子鏈反應(yīng)這是在太陽內(nèi)核正在發(fā)生的過程，第一步中一個質(zhì)子的氕（氫同位素）聚變成一個質(zhì)子+一個種中子的氘，不過過程很漫長，曾經(jīng)天文學(xué)家計算太陽內(nèi)核達不到這個溫度，但后來量子隧穿效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)解釋了這個過程，盡管如此，這個效率很低，這也是制約太陽燃燒速度的關(guān)鍵，太陽正在“控制”生產(chǎn)燃料的速度。質(zhì)子鏈的會生成氦三然后是氦四，但到氦元素階段會發(fā)生一個問題：

氦元素的聚變溫度要求更高，太陽內(nèi)核原本可以通過坍縮達到這個溫度

氫元素燃燒要求更低，內(nèi)核存在熱壓力，無法滿足這個要求

因此以太陽的質(zhì)量在主序星階段（氫元素燃燒為主的階段）內(nèi)核是不會出現(xiàn)問題的，但在后期內(nèi)核的氫元素逐漸消耗，此時內(nèi)核的燃燒結(jié)構(gòu)將會產(chǎn)生巨大的變化。

請看上圖中0.5-1.5M⊙（太陽質(zhì)量倍數(shù)），這就是類日恒星的結(jié)構(gòu)，中間是輻射層，以外才是對流層，因此內(nèi)核氫元素慢慢耗盡后氦元素會堆積在內(nèi)核中，同時熱壓力也會減小，扛不住外殼壓力的內(nèi)核會出現(xiàn)坍縮，內(nèi)核氦原子的電子突入到電子兼并的極限狀態(tài)，形成氦白矮星內(nèi)核，這一點很關(guān)鍵，我們標注MARK1，這是導(dǎo)致氦閃的重要原因，下文詳解。

此時內(nèi)核收縮后，部分輻射層的氫元素會進入原本內(nèi)核的區(qū)域，這個過程也非常重要，我們標注MARK2，這是導(dǎo)致紅巨星的重要原因。

MARK2：內(nèi)核逐漸收縮為簡并態(tài)氦核，外殼中的氫元素進入到內(nèi)外殼層之間間隙，這些氫元素將達到聚變條件，而且此時內(nèi)核溫度更高，氫元素的燃燒速度也比主序星階段更高，當然它會產(chǎn)生更多的熱壓力以及氦元素，前者將導(dǎo)致恒星逐漸膨脹，后者將會給簡并態(tài)氦核再加一些猛料。

MARK1：這個突入到內(nèi)核的氫殼層燃燒給內(nèi)核提供了更多的氦元素，這個累積工作最終將達到氦元素的聚變條件，約為1億度以上。

正常情況下氦聚變也會和氫元素聚變一樣，也就是個“溫柔”的過程，但此時內(nèi)核條件是氦白矮星的簡并態(tài)，并不能像氫核聚變時能自我調(diào)節(jié)熱壓力，就像火藥燃燒和炸藥爆炸的區(qū)別。因此簡并態(tài)的氦核會經(jīng)歷一個失控的聚變過程，在極短的時間內(nèi)氦核中的大部分元素將轉(zhuǎn)換碳，并且在這個過程中釋放出巨大的能量，會導(dǎo)致恒星經(jīng)歷一次物質(zhì)爆發(fā)的過程，這就是氦閃的簡單過程。

氦閃的能量并不足以摧毀恒星，但它的物質(zhì)拋射過程將是太陽系的末日，一次太陽超級磁暴活動就可以將人類送回18世紀，那么氦閃的大量太陽高能物質(zhì)沖擊甚至可能剝離行星大氣。

恒星內(nèi)核動蕩的過程

太陽在第一次內(nèi)核氦閃以后，內(nèi)核會繼續(xù)坍縮，外部的氫殼又會重新進入內(nèi)核，達到氫聚變條件，然后堆積氦元素，靜待下一次氦閃，這個過程會持續(xù)到內(nèi)核大部分元素聚變碳以及部分氧的狀態(tài)，再無法點燃碳閃或者氧閃為止，此時外殼已經(jīng)被劇烈聚變的氫元素推到太遠了，再無法被內(nèi)核引力束縛，擴散為行星狀星云，而內(nèi)核則留在中心成為一顆白矮星。

地球在太陽發(fā)展過程中會經(jīng)歷什么？

準確的定義的話，地球上的生命并不會經(jīng)歷太陽狂暴的氦閃和瘋狂紅巨星階段，因為地核冷卻將會導(dǎo)致地球過早的失去宜居條件，甚至我們可以確定，地球生命的未來并不是太陽決定的，而是地球本身。

地球磁場來自熾熱的鐵鎳質(zhì)內(nèi)核流動而產(chǎn)生了磁場，而磁場可以偏轉(zhuǎn)太陽風中的高能帶電粒子保護大氣免受剝離，因此地球的磁場就像是一個看不見的金鐘罩保護地球脆弱的宜居狀態(tài)，當二十多億年后地核冷卻，首當其沖的就是地球水汽循環(huán)圈，我們可以來討論一下這個過程。

1、在正常狀態(tài)下，由于磁場的屏蔽，大部分高能帶電粒子并不能進入大氣層，大氣層的散逸層大氣逃逸還是由部分帶電粒子和紫外線的光解所致，而水汽主要是短波紫外線光解，逃逸的是氫氣，而氧氣則會留下與氧分子結(jié)合成臭氧，或者將氧分子解離，氧原子與氧分子構(gòu)成臭氧O3，這就是臭氧層的來歷。逃逸的氫以及其他大氣分子是少數(shù)

2、失去磁場的情況下，太陽風中的高能粒子會直達大氣層，這些粒子的能級從KeV到GeV不等，與空氣原子碰撞而使其電離，但電離并不是逃離的主要原因。這個過程會使水汽解離的速度大大增加，導(dǎo)致地球大量失水，高能粒子也會碰撞氮和氧，形成有毒的二氧化氮，阻擋光線，植物枯萎，動物失去食物來源，地球生態(tài)惡化。

3、逐漸發(fā)展的紅巨星，使得地球獲得的總輻射量增加，會繼續(xù)促使水汽逃逸，從地球誕生到現(xiàn)代，大約有26%被紫外線光解而逃逸（在有水補充的條件下），未來紅巨星輻射增加，這個逃逸過程會加劇。

4、具體需要多久可能尚難確定，但估計生命很難支撐到第一次氦閃，因為太陽的第一次氦閃會發(fā)生在其脫離主序星階段大約12億年后發(fā)生，這12億年會經(jīng)歷什么樣的過程，實在難以想象。但可以肯定的是，水汽逃逸，地球越來越干燥，而二氧化氮在努力在降低溫室效應(yīng)，氧含量卻越來越高（光解后氫逃逸，氧留下），氧化作用加劇，火災(zāi)頻發(fā)，地面還真有可能發(fā)紅，就像火星一樣（與鐵結(jié)合形成氧化鐵）

5、氦閃時代來臨，地球大氣層會受到極度沖擊，我們不能確定會失去多少大氣，但風雨飄渺的氦閃風暴中，生命可能徹底消失了。