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《流浪地球2》中的科学:太阳为什么要氦闪?什么是红巨星?

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《流浪地球2》是《流浪地球》的前传,讲述了地球开启流浪之前,发生的惊心动魄的故事。
电影《流浪地球2》是《流浪地球》的前传,讲述了地球开启流浪之前,发生的惊心动魄的故事。其中的一个关键就是人类如何认识太阳发生氦闪。那么迫使地球流浪的元凶——太阳,究竟是如何构成的呢?太阳是宇宙中很普通的恒星,它不但要自转还得围绕着银河系公转,它的直径大约有139万公里,相当于地球直径的109倍。太阳由内至外主要由日核、辐射层和对流层构成。日核占太阳半径的1/4,质量的一半,温度达1500万℃,随时都在进行着氢核聚变成氦核的核聚变反应。辐射层从日核到0.71个地球半径的区域,形成可见光传向太阳表面。对流层的厚度约15万千米,辐射层传来的能量,在这里以对流的形式传出去。

接下来我们来了解一下太阳的核聚变反应。核聚变反应是人类目前能够操纵的核聚变反应,是由氢的同位素氘和氚原子核结合成较重的氦原子核,并放出巨大能量,核聚变前后质子和中子数量都保持不变。而太阳的氢核聚变反应虽然与此类似但又复杂很多,通常太阳内部聚集了极大的压力和温度,使得氢原子外的电子云结构坍塌,两个氢原子核克服斥力聚合在一起形成氘核,这是太阳内部聚变反应的第一步,同时发生了质量亏损,释放出热量,紧接着氘核和氢核又被挤压到一起,发生聚变,反应生成氦3,继续放热,最后两个氦3聚变形成氦4并且放出2个中子,太阳的核聚变反应释放出大量的能量。

太阳也像我们生物一样有着生老病死的过程,那么太阳的一生是什么样的的呢?太阳是一颗黄矮星,也是有生命周期的,黄矮星的寿命大致为100亿年。下面我们就来看一下太阳演变过程。大约在50亿年前银河系里的一颗恒星发生爆炸,形成了太阳星云。在引力的作用下,太阳星云不断收缩,体积越缩越小,密度也越来越大,中心温度也越来越高,当中心温度达到10000℃时,形成了原始恒星。当原始恒星的温度继续升高达到1000万℃时,触发了氢核聚变反应,太阳就此诞生了,诞生距今大约46亿年了,目前我们看到的太阳已经进入恒星的主序星阶段,也就是正值太阳壮年时期。

《流浪地球》中所说的氦闪,就是距今再过大约54亿年后,太阳的生命周期接近尾声,氢燃烧殆尽,将会发生的现象。氦闪是在中等质量恒星的核心,或是白矮星表面堆积的氦突然开始的核聚变,核心温度变得越来越高,太阳就逐渐变成一颗巨大但暗淡的红巨星,太阳的外层将向太阳系膨胀,将远远大于现在的太阳,太阳系内侧行星将会被吞噬,直到最后太阳骤然停止燃烧,变成白矮星。这就是《流浪地球》原著中写的:“太阳内部氢转化为氦的速度突然加快,太阳的演化已向主星序外偏移,氦元素的聚变将在很短的时间内传遍整个太阳内部,由此产生一次叫氦闪的剧烈爆炸”。

再过54亿年,发生氦闪一个结果就是太阳将会变成红巨星,而到那个时候地球一定会被变成红巨星的太阳吞噬吗?在这里我鼓励各位朋友都能尝试着进行推演,一切能自圆其说的结果都是可能发生的,比如说:如果地球与太阳中心的相对距离保持不变,那太阳外部向外膨胀时必将吞噬地球,甚至都不用红巨星的边缘接触地球,高温早就将地球汽化了。但是如果54亿年后地球与太阳的距离已经足够远了,红巨星的高温不会或者较小的影响到地球也是可能的。根据观测,由于太阳的高温燃烧,存在着自太阳向外的“太阳风”,目前的太阳风每年会将地球推离太阳1.6厘米,那么随着太阳燃烧的加剧太阳风也会随之加剧,加之漫长的几十亿年的时间,也许到时地球不会被红巨星吞噬。但最终失去太阳的地球也很难再维持生命的延续。几十亿年后的事,一切皆有可能。

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