太陽的一生

本文為你詳解太陽的一生。（文末有驚喜）

太陽表面巨大的日珥。SDO

太陽一直都位于我們宇宙哲學(xué)體系的中心。但是隨著現(xiàn)代天文學(xué)的發(fā)展，人類開始意識到太陽只不過是我們宇宙中不計其數(shù)的恒星之一。在本質(zhì)上，它是一顆普通G型主序星的完美實(shí)例（又稱G2V?！包S矮星”）。和所有恒星一樣，它有自己的壽命，有形成階段、主序階段和最終的死亡。

這個生命期開始于大約46億年前，且還將延續(xù)45至55億年，屆時它將耗盡氫燃料和氦燃料，并坍縮成一顆白矮星。但這只不過是太陽壽命的簡化版。細(xì)節(jié)才是魔鬼。

類日恒星的生命周期，左側(cè)是它的誕生，右側(cè)是它幾十億年后的紅巨星階段。ESO

太陽已走完了其最穩(wěn)定生命階段的一半。在過去四十億年期間，在地球及整個太陽系的誕生期間，它一直保持著相對的穩(wěn)定。而這種情況還會保持四十億年，隨后它的氫燃料就將耗盡。緊接著就會發(fā)生某種相當(dāng)極端的事件！

太陽的誕生

根據(jù)星云說，太陽及太陽系的所有行星產(chǎn)生自一團(tuán)巨大的分子氣體塵埃云。大約45.7億年前，在某種事件的影響下，星云發(fā)生了坍縮。觸發(fā)事件可能是一顆恒星從附近經(jīng)過，也可能是超新星爆發(fā)產(chǎn)生的沖擊波，但最終結(jié)果就是星云的中心發(fā)生了引力坍縮。

這張藝術(shù)概念圖描繪的是一顆被分子云包圍著的恒星，這團(tuán)旋轉(zhuǎn)的分子云就是所謂的“原行星盤”。NASA

坍縮開始后，塵埃和氣體開始聚集成密度較大的區(qū)域。這些區(qū)域能夠吸引越來越多的物質(zhì)，并在動量守恒定律的影響下開始自轉(zhuǎn)。與此同時，由于壓力的升高，云團(tuán)開始升溫。云團(tuán)中的大部分物質(zhì)落到了中央的一個球體上，其余則分散在扁平的盤面中，圍繞著這個球體旋轉(zhuǎn)。

這個中央的球體最終形成了太陽，物質(zhì)盤則變成了各個行星。作為一顆坍縮過程中的原恒星，太陽在其溫度和壓力上升到內(nèi)核核聚變被觸發(fā)前，經(jīng)歷了大約10萬年時間。太陽誕生時，是一顆金牛座T型星——這是一種相當(dāng)活躍的恒星，能夠釋放出強(qiáng)烈的太陽風(fēng)。在經(jīng)歷了幾百萬年后，它開始平靜下來，達(dá)到了當(dāng)前的狀態(tài)。太陽的生命周期由此開始。

主序

太陽和宇宙中的大多數(shù)恒星一樣，正處于其一生中的主序階段，正在把它核心的氫聚變?yōu)楹ぁＴ谀抢?，每秒鐘?億噸的物質(zhì)被轉(zhuǎn)化成中微子、太陽輻射和大約4*10^27瓦的能量。太陽的這個過程開始于45.7億年前，從那以后一直在以這種方式產(chǎn)生能量。

但是這一過程無法永遠(yuǎn)延續(xù)，因?yàn)樘柕臍浜渴怯邢薜?。到目前為止，太陽已?jīng)把100倍地球質(zhì)量的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成了氦和能量。隨著氫被轉(zhuǎn)化成氦，太陽的內(nèi)核會持續(xù)收縮，太陽的外層會向中心靠近，并承受更強(qiáng)大的引力。

NASA太陽動力天文臺探測器拍攝的太陽。NASA

這會導(dǎo)致核心產(chǎn)生更大的壓力，但這種壓力會被加速的核聚變抵消掉。一般來說，這意味著太陽將繼續(xù)消耗核心的氫，核聚變會加速，太陽的能量輸出也會增加。當(dāng)前，太陽的光度正在以每1億年1%的速度增加。在今后45億年中，太陽的光度將增加30%。

11億年后，太陽將比今天亮10%，光度的增加意味著地球大氣吸收的熱量增加。這將在地球上觸發(fā)溫室效應(yīng)，這種效應(yīng)和把今天的金星變成地獄的失控增溫相似。

35億年后，太陽將比現(xiàn)在亮40%。海洋將沸騰，冰蓋會永久融化，大氣中的水汽會逃逸到太空。在這樣的條件下，我們所知的生命無法在地表生存。簡而言之，地球?qū)⒆兂捎忠粋€熾熱、干燥的金星。

核心氫的耗盡

一切都會結(jié)束。對我們來說是這樣，對地球來說是這樣，對太陽來說也是這樣。這不會來得很快，但在遙遠(yuǎn)未來的某一天，太陽終將耗盡氫燃料，并緩慢地步向死亡。這一事件將發(fā)生在大約54億年后，那時太陽將退出主序階段。

變成紅巨星的太陽。藝術(shù)家的想像圖。

隨著核心氫的耗盡，較不活潑的氦產(chǎn)物開始變得不穩(wěn)定，并在自身的引力下坍縮。這將導(dǎo)致核心溫度升高、密度增加，進(jìn)而使太陽的體積膨脹，進(jìn)入紅巨星階段。計算結(jié)果表明，膨脹的太陽足以容納水星、金星，甚至是地球軌道。即便地球幸免于難，紅太陽的巨大熱量也會把地球燒焦，任何生命都無法幸存。

最終階段和死亡

一旦到達(dá)紅巨星分支階段，太陽的活躍期就只剩下大約1.2億年了。但在這段時間內(nèi)，會發(fā)生很多事件。滿是氦的內(nèi)核會被氦閃猛烈點(diǎn)燃——大約6%的內(nèi)核和40%的太陽質(zhì)量將在幾分鐘內(nèi)被轉(zhuǎn)化成碳。

太陽的大小隨后便會收縮到現(xiàn)在的大約10倍，光度變成現(xiàn)在的50倍，溫度則稍低于當(dāng)前。在接下去的1億年中，它將繼續(xù)燃燒其核心的氦，直至氦耗盡。此時它處于漸進(jìn)巨星分支階段，體積將再次膨脹（此時的速度更快），光度也將變得更高。

雙噴射筒星云。制造這個星云的恒星擁有一個已經(jīng)變成白矮星的伴星。Hubble

在接下去的2000萬年間，太陽會變得不穩(wěn)定，并在一系列熱力博動過程中失去質(zhì)量。這種過程每隔10萬年左右就會發(fā)生一次，每一次都會使太陽變得更大，并使其光度增加到現(xiàn)在的5000倍，半徑超過1個天文單位。

在這個時候，膨脹的太陽將把地球容納到它的大氣層內(nèi)，生命在地球上已經(jīng)完全無法生存。而此時外太陽系的行星會發(fā)生顯著變化，由于它們吸收了更多的太陽能量，水冰會升華——這些天體上也許會形成濃厚的大氣層和地表海洋。大約50萬年后，太陽的質(zhì)量只剩下一半，其外層開始形成行星狀星云。

螺旋星云，一個類日恒星產(chǎn)生的行星狀星云，星云中央是裸露的恒星內(nèi)核，它正在變成白矮星。Hubble

漸進(jìn)巨星分支階段之后的演化會越來越快，被太陽拋出的物質(zhì)會被電離，變成一個行星狀星云，而其裸露的內(nèi)核溫度將達(dá)到3萬K。最終，內(nèi)核溫度上升到10萬K以上，隨后逐漸冷卻，變成一顆白矮星。行星狀星云會在1萬年左右的時間內(nèi)逐漸散去，而白矮星在慢慢暗淡變黑之前，能存在數(shù)萬億年。

太陽的終極命運(yùn)

在提到恒星的死亡時，人們通常會想到猛烈的超新星爆發(fā)和黑洞的產(chǎn)生。但是這種情況不會發(fā)生在我們的太陽身上，原因很簡單，太陽的質(zhì)量不夠大。雖然對我們而言它很大，但與宇宙中的超高質(zhì)量恒星相比，太陽的質(zhì)量是較低的。

正因如此，當(dāng)太陽耗盡氫燃料時，它會膨脹成紅巨星，拋掉外層，然后慢慢變成一顆小小的白矮星，在數(shù)萬億年時間中逐漸冷卻。假如太陽的質(zhì)量比當(dāng)前高20倍，它生命的最終階段就會更加震撼人心。

位于NGC 4526星系邊緣處的超新星1994D（左下角）。它爆發(fā)時的亮度超過了整個星系的亮度總和。Hubble

當(dāng)超大質(zhì)量恒星核心的氫燃料枯竭時，它們會轉(zhuǎn)而把氦當(dāng)成聚變?nèi)剂希S后把碳當(dāng)成聚變?nèi)剂?。這樣的過程會一直延續(xù)，消耗的元素會越來越重，這些元素會像洋蔥一樣一圈圈地分布在恒星外層中。每一層的元素消耗速度都會比上一層快，鎳元素的最終生成，大約只需一天時間。

隨后鎳衰變成鐵。鐵無法通過聚變?yōu)楹阈翘峁┤魏文芰?，恒星因此無法產(chǎn)生足夠的輻射壓，來抵擋自身向內(nèi)坍縮。如果恒星內(nèi)部的鐵核質(zhì)量達(dá)到太陽質(zhì)量的大約1.38倍，這顆恒星就會發(fā)生災(zāi)難性的內(nèi)爆，釋放出巨大能量。

假如有一顆大質(zhì)量恒星在太陽的位置上內(nèi)爆，只需8分鐘，也就是相當(dāng)于光線從太陽到達(dá)地球的這段時間內(nèi)，一波超乎想象的能量便會掃過地球，隨之摧毀太陽系中的一切。這股能量閃光的亮度足以超越整個星系。隨后，居住在鄰近太陽系上的智慧生命就會發(fā)現(xiàn)，天空中出現(xiàn)了一個新的星云（像蟹狀星云那樣的星云），一個持續(xù)擴(kuò)張的新星云。

蟹狀星云就是一個超新星遺跡。Hubble

此時這顆恒星剩下的遺骸只有一個快速自旋的中子星，甚至是一個恒星級黑洞。當(dāng)然，這并不是我們太陽的命運(yùn)。由于受到質(zhì)量的限制，當(dāng)它熄滅時，只可能坍縮成一顆白矮星。而且這也不太會在未來的60億年中發(fā)生。60億年后，人類也許早已滅絕，或者已經(jīng)離開了太陽系。因而在此期間，我們擁有的陽光仍然是足夠的！

最后，讓我們來欣賞一段美國宇航局太陽動力天文臺探測器升空5周年紀(jì)念視頻，感受一下地球的生命之源——太陽。

SDO 5周年