看過《流浪地球》的人應該都不會對「氦閃」感到陌生,相信不少人都會將其想象成「氦閃過后,地球寸草不生」,或者是「氦閃會讓太陽急劇膨脹,進而吞噬地球」。
那麼問題就來了,在真實的宇宙中,地球在未來真的會毀于太陽的氦閃嗎?要回答這個問題,我們需要先來了解一下氦閃是怎麼回事。
太陽的內部一直存在著兩種力量的較量,其中的一方是太陽自身的重力,其方向是由外而內,另一方則是太陽核心反應區的核聚變所產生的「輻射壓」,其方向是由內而外,現在的太陽之所以能夠處于一個穩定的狀態,其實是這兩種力量達到了一種動態的平衡。
具體表現為,如果「輻射壓」略占上風,太陽就會出現膨脹,其核心反應區的溫度也會隨之降低,而核聚變的反應速率與溫度密切相關,溫度降低了,反應速率也就會下降,所以「輻射壓」 就會降低。
在此之后,重力就會略占上風,太陽就會收縮,其核心反應區的溫度也就隨之升高,溫度升高后,核聚變的反應速率就會提升,于是「輻射壓」又會略占上風……
然而太陽并不能一直維持這樣的穩定狀態,畢竟太陽的「核燃料」并不是無限的。實際上,太陽的「核燃料」其實就是氫,而太陽釋放出的光和熱,其實就是在氫聚變成氦的過程中產生的。
需要知道的是,太陽的溫度是從外到內逐漸遞增的,只有在太陽的核心反應區才存在點燃氫核聚變的條件,而由于「輻射壓」的存在,太陽外層的物質并不能進入太陽的核心反應區,因此太陽在主序星階段只能消耗其核心反應區的氫。
當該區域的氫消耗殆盡之后,太陽的主序星階段也就終止了,此時太陽的核心區域幾乎全部都是氦,為方便描述,我們不妨將其稱為「氦核」,由于此時「氦核」的溫度還不足以點燃氦的核聚變,因此太陽內部就失去了對抗重力的「輻射壓」,于是太陽就會不斷收縮。
太陽的收縮,就意味著其內部的溫度會越來越高,而「氦核」的溫度上升得尤為明顯,當「氦核」的溫度升高到一定程度時,其外側的那些原本從未參與過核聚變的氫就會大量地發生核聚變,我們可以將其稱為「殼層核聚變」,于是太陽內部就又有「輻射壓」了。
「殼層核聚變」比太陽在主序星階段的核聚變要激烈得多,其產生的「輻射壓」此時會大占上風,在這種情況下,太陽的體積就會持續膨脹,進而演化成一顆龐大的紅巨星。
進入紅巨星階段的太陽,其「氦核」的溫度依然沒有達到氦的聚變所需要的條件,所以「氦核」仍然會有不斷收縮的趨勢,而隨著「殼層核聚變」的持續,大量的氦也會不斷地堆積,其造成的后果就是「氦核」越來越大,收縮的趨勢也越來越明顯。
在這種情況下,「氦核」就會變得越來越致密,溫度也越來越高,當溫度達到大約1億度時,氦的核聚變就會被點燃。
此時「氦核」中的物質早已被重力「壓縮」成了簡并態,僅憑「電子簡并壓」來對抗重力,簡并態物質有一個重要的特點,那就是它們的體積不會受到溫度的影響,也就是不會「熱脹冷縮」,所以這種物質就無法通過膨脹來降溫,所以氦的核聚變一旦啟動,其釋放出的能量就會使「氦核」的溫度迅速上升。
與氫核聚變相比,氦核聚變的反應速率對溫度更加敏感,「氦核」的溫度上升,就會迅速引發其中更多氦發生核聚變,這就會造成「氦核」的溫度進一步上升,這樣就形成了一種正反饋,于是氦核聚變的反應速率就會急劇提升,進而使「氦核」 發生熱失控的核聚變。
不過這樣的情況并不會持續多久,因為在巨大能量的驅動下,「氦核」中的物質很快就會退出簡并態,如此一來,「氦核」就可以通過膨脹來降溫,熱失控的核聚變也就結束了。
看到這里,相信大家已經知道了,這就是所謂的氦閃,通常情況下,氦閃只會持續幾秒鐘的時間,但就是在這幾秒之內,其產生的能量密度可以超過太陽在主序星階段時的上千億倍,由此可見,氦閃的威力確實相當驚人。
然而從氦閃的形成原理我們卻可以清楚地看到,氦閃其實是發生在太陽進入紅巨星階段之后,而這也就意味著,地球在未來并不會毀于太陽的氦閃,為什麼呢?因為早在太陽發生氦閃之前,地球就已經被變成紅巨星的太陽吞噬了。
當我們在宇宙中四處張望的時候,總是會看到密密麻麻的恒星,通過對這些恒星的觀測,我們就可以知道各種恒星從誕生到走向消亡的整個過程,科學家早已通過觀測數據建立起了完整的恒星演化模型,據此就可以估算出太陽在紅巨星階段時到底有多大。
根據科學家的估算,在大約50億年后,太陽就會演化成紅巨星,屆時它的半徑將會是現在的200多倍,其表面可以輕松抵達地球圍繞太陽的公轉軌道,所以地球在此時就會被這顆龐大的紅巨星吞噬,而在太陽進入紅巨星階段大約10億年之后,氦閃才會發生。
值得一提的是,太陽的氦閃可以多次發生,每一次氦閃都會消耗大量的氦,而氦閃發生之后,其外層的「殼層核聚變」所產生的氦又會持續累積,當達到一定程度時,就會發生下一次氦閃。
就這樣,太陽會在一次又一次的氦閃中走向消亡,在此過程中,太陽的外層物質會被大量拋離,進而形成一片壯觀的行星狀星云,而其內層的物質則會逐漸形成一顆致密的白矮星,而屆時的地球早已不復存在。
當然了,這只是宇宙中自然演化的結局,并沒有考慮到人類的影響,或許我們可以樂觀地認為,隨著科技的持續進步,未來的人類應該可以改變地球、甚至是太陽的結局。