有关太阳未来演化的简要介绍

题图 ：碳星猎犬座Y（La Superba）鉴于之前《流浪地球》的有关热映，关于太阳的太阳GG这个十分遥远的问题一不小心进入了大众的视野。当然也造成了一点误解，未演所以某人随便的简介介绍一下今后太阳的演化，顺便澄清一下一点误解。有关事前准备：首先介绍一下赫罗图（英语：Hertzsprung–Russell diagram ，太阳简写为H–R diagram、未演HR diagram或HRD） ，简介既然要简洁的有关简介，那么我们不管这个图是太阳罗素童鞋怎么发明的
，我们只需要知道：这个图的未演横轴标注的是颜色（左蓝右红）——也就是温度 ，因为越热的简介恒星颜色越蓝。纵轴表示恒星的有关光度 ，上大下小。太阳中间那一条S形的未演条带叫做主序带，也就是太阳（Sun）现在呆着的地方 ：不要管七七八八的英文，看到SUN就行了其次  ，恒星的稳定依赖于引力和任何能够抵抗之的力的平衡 ，而且引力只要有质量存在都会出现。而且恒星一直都在努力的保持流体静力平衡状态。还有就是恒星的能源依靠核聚变（省的有人不知道）而且受到温度的影响。太阳的现在的核聚变是上面的图片表示的过程 。简单说就是4个氢原子聚变为一个氦原子。现在的处于主序星阶段（Main Sequence）太阳的内部结构就像下面这样（灵魂画法）：位置在下面图片中的A点左右 ：前面说过，氢聚变在温度更加高的核心速度会更快 ，也就是说核心的氦的累积更快 。氦很快就富集在恒星的核心
。在54亿年之后，太阳的核心温度会更加的高，同时亮度会更加的大。在HR图上运动到B点 。根据研究，15亿年后太阳的亮度就足够蒸发地球海洋的全部水，人类社会也就会GG，之后“拯救地球”的行星发动机也不可能出现 。当然，如果我们把地球移动一下远离太阳或许还有救（移民火星也可以） 。54亿年之后太阳会发生一个重大变化 ：核心形成了不发生核聚变的氦核 ，氢聚变转移到围绕核心的壳层里。此时太阳的内部草图差不多是下面这样：此时太阳脱离了主序阶段
，进入一个全新的被称作亚巨星（Subgiant）的阶段。此时的He核心还是依靠核聚变产生的辐射压维持。在这个阶段，太阳将会在HR图上水平向右移动（表面温度下降，光度不变）
，除此之外从外部看来 ，太阳不会有什么变化 。太阳将会在这个阶段停留21亿年左右，当然此时地球早就成为了熔岩星球。同时太阳的He核还在持续的增长。邻近的亚巨星南河三（Procyon）之后的时间进度会相对很快。75亿年后，太阳的核心会达到0.1-0.15太阳质量左右的勋伯格-钱德拉塞卡极限（不是白矮星的那个）。这东西怎么来的不用管，只要知道它是自己不聚变的太阳核心能够被辐射压支持对抗引力的极限。现在内核开始收缩
，引力占了上风。当核心坍缩到一定程度。一种新的力开始变得显著。根据泡利不相容原理  ，分子轨道中的一个原子轨道只能容纳两个自旋方向相反的电子。由于轨道能级越低，电子距离原子核越近。当物质被压缩到极大的密度时，万有引力会竭力拉近电子与原子核之间的距离 ，这时低能级轨道将被电子挤满 。泡利不相容原理不容许两个电子处在同一个状态 ，相互靠近的电子将产生一种新的排斥力
，阻止体积的进一步缩小。（高中学过的电子自旋如下 ，只有“上”“下”两种 ，一个原子轨道里面只能有上下一对电子，一个萝卜一个坑）由此产生的力叫做电子简并压力 ，它能够成功的抵御住恒星的内核坍缩。在这个过程中 ，随着核心密度的急剧上升，温度也在提升；氢聚变的速率也获得了很大的提升 ，更多的能量输出导致恒星的外层膨胀，从而温度下降而开始变红 。对于太阳而言，温度会从6000K下降到3000K ，从HR图上的C点移动到D点，和一堆被标注为红色的恒星聚集在一起形成所谓的“红巨星分支”（Red Giant Branch ，RGB（红绿蓝（误））） 。就是D-E之间红色的一堆此时的太阳内部结构如图：注意：我没有按照比例绘画
！（懒）这造成了一个灾难性的后果 ：太阳的半径膨胀到了1.2天文单位（1天文单位是地球现在离太阳的平均距离） ！光度则为现在的2600倍 。水星和金星必死无疑，看起来地球也在劫难逃。现在的太阳和那时候的太阳但是温度的下降也导致太阳大气里面诸如碳之类的重元素可以形成尘埃，进而开始驱动一种全新的现象——恒星风——超强的太阳风。它可以吹走不少太阳的外层物质，在7.6亿年长的红巨星阶段太阳会失去0.2倍其本身质量的物质——导致地球受到的引力下降，轨道外移。质量损失和膨胀的拔河将会决定地球的命运 ，相关的撕逼持续到今日也没有定论。但是这早就和我们没有半毛钱关系了。最大的受益者是木星和土星的卫星，它们那时将会落到所谓的“适居带”里；说不定会有新的生命诞生。红巨星时期的太阳和地球在这7.6亿年里面 
，太阳的核心会积聚质量——拜更加大功率的核反应所赐 ，太阳的核心的质量会急剧上升到0.48个太阳质量——比之前100亿年累积的多得多。随着质量的上升，温度也在稳步的提高，直到1亿K。这时一种新的核反应会发生：三阿尔法过程 。总体上看是3个氦原子核聚变为一个碳原子核（中间的铍8惨遭忽视）。这个反应点燃了简并的核心，但是简并物质赖以支持的简并压力的压强遵循下式：（看起来很吓人）不用管那么多，反正这堆东西里面没有温度T 。结果就是压强（单位面积的压力）和温度几乎无关。结果就是核心无法像“正常的”物质一样受热膨胀
，核反应只会随着温度上升变得越来越剧烈，在辐射压足以对抗引力之前核聚变只会不停的加速——最终可以达到正常能量输出的1000亿倍 ，虽然可能只有几秒钟，释放出的能量可以达到Ia超新星的百分之几。这种现象被称作氦闪（Helium flash）（E点） 。典型的红巨星十字架三（Gacrux） ，图片中上红黄色恒星然后有几个经常被描述的情况：1、太阳的氦闪会产生爆炸性的影响摧毁地球 。（就是某个小说里面的剧情）2、太阳之后会燃料耗尽变成白矮星。3、太阳最后坍缩成为白矮星 。第一种显然是脑补过度了，现实中解除电子简并就几乎消耗掉了氦闪的全部能量。况且还有穿墙大神中微子的消耗
，你在木星上看甚至不会看到有什么异样。（早期的计算忽略了中微子的存在，导致出现大爆发的结果）第三种往后看自然会知道其比喻不当 
。关于第二种情况情况 ，实际上事情要复杂的很多 
。在氦点燃，解除电子简并后 ，太阳的内部看起来就像这样：是不是和主序星阶段有点像？虽然氦参与了产能，但是内核大大的膨胀，导致氢燃烧的速率反而因为温度相对下降而减少。太阳的总能量输出因此减少，因此反而导致外层收缩。在收缩结束时太阳的光度将会下降到现在的50倍，温度比现在稍微低一点——5000K
 ，半径只有现在的几倍大。于是现在它从HR图上的E处运动到F处，那里有一堆恒星在图上几乎呈现水平分布，因此被称为水平分支（Horizontal branch） ，容纳着核心燃烧氦的中低质量主序星。水平分支星天琴座RR接下来的1-2亿年是相对平静的 ，此时太阳的表现就像是主序星一样 。但是一个重大的区别是核心温度——主序星阶段太阳的核心温度在1500万K左右，现在达到1-2亿K——几乎是之前的十倍。其结果就是核心的氦被远远更快的消耗 。2亿年之后
，氦的“灰烬”（真的是灰烬）碳将达到0.15太阳质量的极限——于是电子简并重出江湖 。现在的故事和太阳从A-C点移动的时候是差不多的 
，但是按了快进键——接下来的事情会更快的发生 。随着简并碳-氧核的形成，太阳进入了所谓的渐进巨星分支（Asymptotic giant branch-AGB）
，这个名字看起来很吓人很数学，实际上只是说明渐进巨星分支是逐渐从右侧趋于红巨星分支的
。（先吓退一堆人）为什么会有氧的出现 ？其实是我懒没有提到三阿尔法过程的一个分支，里面允许生成的碳12再和一个氦核聚变生成氧16。当然碳或者氧都不是特别的重要 ，至少对于太阳是这样 。这时太阳会和走向红巨星分支一样膨胀，达到1天文单位的半径和2000多倍的太阳光度，温度下降到3000K。此时的太阳和上次通过红巨星分支时差不多——就是多出了一层氦聚变的壳层作为主要能量来源。这时太阳的位置会在HR图上从H点移动到G点处。这个阶段是可选的 ，如果恒星在红巨星阶段损失过多的质量 ，这个阶段将会被跳过。但是鉴于这种情况并不常见我们不予讨论。在这个阶段，太阳可能会周期性的胀缩成为一颗米拉变星，随之而来的是超强的质量损失，就和红巨星阶段差不多 。但是最本质的变化还没有发生。对于太阳而言 ，由于把氦作为主要燃料，不久之后氦的来源就会枯竭 。但是恒星可不是汽车，推到加油站加油就可以再跑，太阳的唯一出路就是继续累积碳
，希望能够点燃碳的核聚变：两个碳聚合生成镁。但是太阳无论如何收缩都不能达到所需的5亿K的高温。结果就是碳-氧核心的堆积，最终太阳只能依靠一个氢燃烧壳层和一个不稳定的氦燃烧壳层供应能量
：此时所谓的E-AGB（早期AGB）阶段结束
，TP-AGB（热胀缩AGB ，Thermally pulsing AGB）阶段开始，太阳从G点移到了H点，稳定的恒星也一去不复返 。由于氢燃烧的产物就是氦，氦还是会在碳-氧核心外累积 。当累积到一定程度的时候又会和之前一样发生氦闪，引发爆炸性的能量释放 。但是这时内核的电子简并不会解除，氦闪只能通过烧完壳层里面所有的氦结束 。突然增加的能量输出导致恒星半径突然加大，光度在几百年之内显著上升，同时巨量的物质会被抛出形成星周包层（Circumstellar envelopes） 。这个现象已经在不少变星周围观测到：红巨星玉夫座R的包层，是它热胀缩的直接产物 。此时太阳的内部变化大概就是这样：这可能是唯一符合《流浪地球》的桥段，但是如果你这时候才想到挪走地球早就晚了，上一次红巨星足够消灭你无数次
 。另一个隐忧是质量损失导致行星轨道的改变和抛射物质的影响。这些事情的影响没人知道，但是鉴于不止一颗白矮星周围发现了星体撞击产生的尘埃盘 ，地球存在在此处GG的可能性。下面是模拟的一颗倒霉的恒星经过TP-AGB阶段的模拟
：注意这里的热脉冲注意它的光谱从正常的M型变成了被双原子碳（C2）统治的C型 。想不到吧 ，碳元素也有双原子分子注意上面的示意图里面  ，壳层氦闪发生的时候 ，氢聚变突然因为外层温度下降终止 ，对流层可以伸进核聚变发生的区域（辐射区消失了） ！这会把产生的碳等重元素翻到恒星的表面
，这也是导致C型恒星形成的原因
。这种过程被称作“上翻（Dredge-up）”TP-AGB时期的上翻，可以看见灰色的对流区在壳层氦闪中深入氦聚变层这种独特的恒星被称作碳星，它们的外层富含碳导致发出印象深刻的红光：对于生命来说 ，碳是一切的骨架。在碳星的红光下，从恒星内部被挖出来的碳播撒在宇宙里，为未来的生命打下了基础。即使在绚丽的死亡中 ，它们也在创造着生命。在极度的质量损失之下，这些包层的抛射在几百万年以内就能把太阳的外层消耗殆尽。在热脉冲AGB的终结时刻，外层的氢壳层缩减到0.1-0.01太阳质量，太阳的内核会开始暴露 ，光度急剧下降且变得更加蓝（温度更高）
。整个热脉冲AGB时期结束，持续时间只有200万年左右。注意右方的光度下降和温度上升此时太阳的位置位于I点：褪去外层的太阳基本上就是一个包裹着薄核聚变壳层的简并核心：一般来说，最后熄灭的都是燃料比较充足的氢燃烧
，但有点讽刺的是，氢燃烧壳层有时会先熄灭 ，反而是氦燃烧伴随到了最后。但是无论如何，这一个过程很快，从I至左上角的J处的时间只有几万年而已。这时的太阳已经可以被称作“原行星状星云（Protoplanetary nebula）”：太阳的星光照亮了外围的包层和残存的行星，就像下面这样：原行星状星云回旋镖星云注意整个星云都是反射中心核心的光才能被我们看到。这时核心的温度已经达到30000K，类似O型星的快速恒星风会出现；最后，快速的恒星风会吹走最后的表层 ，最后的核聚变也将熄灭 。太阳快速的移动到了J点（左上角） 。但是还是有四分之一的概率回光返照
。即使熄灭
，在高温的碳核心外的氦仍然有概率被重新点燃 。此时的情况就和热脉冲时差不多，本来很小的核心再度胀大，在HR图上从J点（左上角）返回I点附近 。但是这只能持续几百年，氦耗尽之后恒星又会移动到左上角 。典型的“重生”天体Sakurais Object(上两图)
：经历晚期热脉冲（下）和不经历晚期热脉冲（上）的恒星在HR图上的最后行程这次再也不会有什么“意外”了 。当核心的高温足够电离包层的时候 ，所谓的行星状星云（Planetary nebula）就会形成。最后的故事是大家耳熟能详的 ：行星状星云逃逸 ，或者中间的核心冷却到不能再电离周围的包层 ，只剩下孤独的白矮星。HR图的左下角（J点）是它们的安身之地。注意行星状星云属于发射星云——即是通过自己发射光线让我们看到的星云。典型的行星状星云猫眼星云这就是太阳的终结
。至于地球，有可能会在红巨星阶段和后期的质量抛射中幸存。但是总有一天
，会有另一颗随机路过的恒星把地球踢出太阳系。这个时间预估是1000万亿年
，这也是太阳系的终极毁灭——“太阳系”作为一个整体不复存在 。白矮星时代的太阳和地球（想象图）最后总结一下 ：1 、太阳在离开主序星阶段后会经历亚巨星、红巨星分支、水平分支、渐进巨星分支四个演化阶段，最后抛射外层成为白矮星。2、整个过程不是一蹴而就的，而会有反复（例如两次形成巨星）。3 、氦闪就不是个事，它发生的时候你甚至不一定知道，要你命的是太阳的膨胀和质量损失的后果。4、如果你闯过了以上所有的阶段，迟早和其他恒星的接触会摧毁太阳系，除非宇宙在这之前毁灭。

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