當太陽變成紅巨星時,地球還能倖存嗎?

自人類歷史的起步之時,我們就知道了太陽處於我們所瞭解的生命的中心部分,它對全球無數神話和宇宙學系統的重要性就是一個證明。但是隨著我們對它的瞭解愈發深入,我們認識到太陽在我們出現之前已經存在很久了,並將在我們離開以後也依舊長存。即大概在46億年前就形成了太陽,在地球形成大約4000萬年之前就開始了它的生活。

從那時起,太陽一直處於主序星階段中,其核心的核聚變使它可以輻射光和能量來持續滋養我們的地球。這段時間將持續45-55億年,屆時它將耗盡氫和氦的供應,並經歷一些顯著的的變化。假設此時人類還活著並將地球稱為家園,我們可能會考慮遠離太陽!

當太陽變成紅巨星時,地球還能倖存嗎?

太陽的誕生:

關於太陽和太陽系如何形成的主流理論是星雲理論,它指出太陽和所有行星在幾十億年前開始是由分子氣體和塵埃組成的巨大星雲。然後,大約45億7000萬年前,這顆雲在其中心經歷了引力塌縮,從一顆經過的恆星到由超新星引起的衝擊波,都觸發了導致太陽誕生的過程。大體上講,這是在塵埃和氣體開始聚集到更密集的區域之後發生的。

當這些區域吸收越來越多的物質時,動量守恆原理使它們開始旋轉,而壓力的增加使它們溫度升高,大部分物質最終在中心形成一個球,而其餘的物質則被壓平成一個圍繞著它的大圓盤。

當太陽變成紅巨星時,地球還能倖存嗎?

圖解:年輕恆星周圍有一個由氣體和塵埃組成的圓盤,稱為原行星盤。盤外行星形成的過程中,盤內水冰的存在會影響著不同型別行星的形成。圖源:美國國家宇航局/噴氣推進實驗室-加州理工學院

上述圓盤中心的球最終會形成太陽,而物質盤則會形成行星。隨後,太陽作為一顆坍縮的原恆星度過了接下來的10萬年,然後內部的溫度和壓力點燃了其核心的聚變。太陽最初是一顆T型金牛座恆星——它是一顆爆發出強烈太陽風的非常活躍的恆星,而就在幾百萬年後,它就以現在的形式安定下來了。

主星序階段:

在過去的45。7億年裡,太陽一直處在其生命的主序星階段。其特點是氫燃料在其核心的巨大壓力和溫度下轉化為氦的過程。除了改變其組成物質的性質外,這一過程還產生了巨大的能量。總而言之,每秒有6億噸物質被轉換成中微子、太陽輻射和大約4×1027瓦特的能量。

當然,這一過程不可能永遠持續下去,因為它依賴於物質的存在,而物質正在被不斷地消耗。隨著時間的推移,更多的氫被轉化為氦,它的核心將繼續收縮,從而使太陽外層更靠近中心,並體驗更強的引力。

這將對核心施加更大的壓力,而核心將受到聚變發生率增加的阻力。基本上,這意味著當太陽繼續在其核心消耗氫時,聚變過程加快而且太陽的輸出也會增加。目前這導致太陽每1億年亮度增加1%,並且在過去45億年中亮度已經增加了30%。

當太陽變成紅巨星時,地球還能倖存嗎?

圖解:一顆類似太陽的恆星的生命週期,從它在上圖左側誕生到幾十億年後進化為右側的紅巨星。圖源:ESO/M.Kornmesser(歐洲南方天文臺/M.科恩梅塞爾)

大約11億年後,太陽將會比目前增加10%的明亮程度,如此光度的增加也意味著熱能的增加,同時導致地球大氣將吸收更多的熱能。這將引發一個失控的溫室效應,類似於把現在的金星變成如此可怕的溫室一般。

再過35億年,太陽的亮度將比現在高出40%,這將導致海洋沸騰,冰蓋永久融化,大氣中的所有水汽都將流失到太空中。在這種條件下,我們所知的生命將無法在地表任何地方生存,地球將完全轉變成另一個炎熱乾燥的世界,就像現在的金星一樣。

紅巨星階段:

在54億年後,太陽將進入其演化中被稱為紅巨星的階段。一旦星核中的氫全部耗盡,堆積在核中的惰性氦灰開始變得不穩定,並在自身重量的作用下坍縮。這將導致核心溫度升高、密度增大,並造成太陽體積的膨脹。

當太陽變成紅巨星時,地球還能倖存嗎?

據計算,膨脹起來的太陽將變得非常大,直到能夠包圍水星、金星甚至地球的軌道,這樣即使地球在不斷地被消耗後倖存下來,也將前所未有地接近於熾熱的紅太陽,它將灼燒我們的星球,使生命無法繼續生存。然而,天文學家注意到,隨著太陽的膨脹,行星的軌道也可能發生變化。

當太陽到達恆星演化的晚期,它將透過強大的星風損失大量的質量。基本上隨著生長,它就在不斷失去質量,導致行星向軌道外旋轉。所以問題就在於,膨脹的太陽會超越向外盤旋的行星,還是地球(甚至金星)會逃脫它的控制?

施羅德和羅伯特·坎農·史密斯是著手解決這個問題的兩位研究者。在《皇家天文學會月刊》上發表的一篇題為《太陽和地球的遙遠未來的回顧》的研究論文中,他們用最新的恆星演化模型進行了計算。

當太陽變成紅巨星時,地球還能倖存嗎?

根據施羅德和史密斯的說法,當太陽在75。9億年後成為一顆紅色巨星時,它將開始迅速失去質量;當它達到它的最大半徑即它目前大小的256倍時,它的質量將下降到目前的67%。當太陽真的開始膨脹時,它會膨脹地非常快,在短短500萬年內橫掃太陽系內部。

然後,它將進入相對短暫的(1。3億年)氦燃燒階段,屆時它會膨脹到水星軌道,然後是金星軌道。當它接近地球時,它將每年損失4。9×1020噸的質量(佔地球質量的8%)。

但是地球會倖存麼?:

現在情況變得存在“好訊息/壞訊息”了,根據施羅德和史密斯的說法,壞訊息是地球將無法在太陽的膨脹中生存。即使地球軌道可以擴大到比現在遠50%(即1。5個天文單位的距離),它也不會有機會倖存下去。正在膨脹的太陽將在到達紅巨星階段的頂峰之前吞沒地球,之後太陽還有0。25 個天文單位距離和50萬年的時間繼續膨脹。

當太陽變成紅巨星時,地球還能倖存嗎?

圖解:藝術家對紅巨星的描繪。圖源:美國宇航局/沃爾特·費默

一旦進入太陽大氣層,地球將與氣體粒子碰撞。它的軌道半徑會衰減,並會向內旋轉。如果地球現在離太陽稍微遠一點,在1。15個天文單位的距離,它就能夠在膨脹階段存活下來。如果我們能把我們的星球推到這個距離,我們也會做了這個事情。然而,這種說法完全是處於推測階段,目前還處於科幻小說的範疇。

然後是好訊息:早在我們的太陽進入紅巨星階段之前,它的可居住區(我們所知道的)就會消失。天文學家估計,這一區域將在大約10億年後擴充套件到超過地球軌道。加熱的太陽會蒸發掉地球上的海洋,然後太陽輻射會把水裡的氫吹走,海洋消失不再,地球也最終會熔化。

當太陽變成紅巨星時,地球還能倖存嗎?

是的,這差不多是個好訊息…而這一點的好處是,我們可以滿懷信心地說,距人類被迫在家園被太陽吞沒之前離開它還有很久很久,而考慮到我們正在處理的時間線遠遠超出了我們真正能處理的任何事情,我們甚至不能確定其他的災難性事件不會更早地奪走我們的生命,或者我們不會遠遠超過我們人類目前的進化階段。

另一個有趣的好處是,太陽可居住區邊界的變化也會改變太陽系。雖然地球僅僅離太陽1。5 個天文單位距離,但它將不再處於太陽的宜居區內,而太陽系外部的大部分將成為宜居區。這一新的宜居區將從距太陽49。4 個天文單位延伸到距太陽71。4 個天文單位——恰好進入柯伊伯帶——這意味著以前常年冰凍的世界將會融化,液態水將出現在冥王星軌道之外。

當太陽變成紅巨星時,地球還能倖存嗎?

圖解:柯伊伯帶CG圖片,by宋敘文,圖源: zcool

也許鬩(xì)神星將是我們的新家園,冥王星的矮行星將是新的金星,而妊神星、鳥神星,以及剩下的行星將組成外圍“太陽系”。但這一切最吸引人的地方,或許是人類甚至會在一開始就問“未來它還會在這裡嗎”,尤其是在數十億年後的未來。

當太陽變成紅巨星時,地球還能倖存嗎?

圖解:Eris鬩(xì)神星。圖源:universetoday

當太陽變成紅巨星時,地球還能倖存嗎?

圖解: Ceres穀神星。圖源:universetoday

當太陽變成紅巨星時,地球還能倖存嗎?

圖解:妊神星Haumea。圖源:universetoday

不管怎麼說,在我們面前發生的事,以及當我們離開這裡時將會發生的事情都會繼續吸引著我們。當我們討論諸如太陽、地球和已知宇宙之類的事情時,這些事情又變得非常必要。不過到目前為止,我們的存在與宇宙相比是曇花一現,作為地球生命能維持多久仍然是一個無人知曉的問題。

參考資料

1。Wikipedia百科全書

2。天文學名詞

3。 universetoday-秦正冰

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