太阳：我会不断变胖，地球：这样好么…… | 天问专栏
►太阳及地球最终将通向何处？图片来源：http://www.bbc.com/earth/story/20150923-the-sun-creates-space-weather-that-affects-us-all
编者按
太阳，似乎是自夸父后羿神话时代起就亘古不变的存在。到了人类已然享用其绿色清洁能源的今天，太阳依旧生机勃勃，高悬天空、泽被大地。毫不夸张地讲，地球上所有生物，包括地球自身的命运，都与太阳息息相关。
经历了几十万年的进化，人类已经拥有了具备高级逻辑思维能力的大脑和进行外太空探索的科学技术。此时必然要思考的问题之一，就是人类和这颗蓝色星球的未来将会通向何处。若把这个“未来”放在天文学尺度上进行讨论，你就会发现，它与太阳的命运紧密相连。
假设人类没有因毫无节制地破坏自然，最终自作自受地将自己毁灭；假设地球也不会遇到强烈到足以导致地球或人类的毁灭小行星撞击地球事件，那么最后，地球的“寿终正寝”会发生在什么时候？以何种方式？是什么状态？它的终结者会是它的缔造者太阳吗？那太阳的最终命运又将如何呢？
《天问》专栏第九期，我们将在天文学的框架下来尝试探索这些问题的答案，揭开太阳、地球及人类的终极命运之谜。
撰文 | 邓李才（国家天文台）
责编 | 吕浩然
天问专栏
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要想回答上述问题，首先应了解天文学上最常用的工具——赫罗图，并以此为基础来看看太阳作为一个普通恒星在赫罗图上走过的一生。
赫罗图与恒星的一生
什么是赫罗图？答案很简单：如果在一个没有光污染，或者光污染不算很严重的地方，比如远离城市的郊区，在一个晴朗无月的夜晚仰望星空，任何人看到的都将是满天星斗。
►图1：美丽的星空中呈拱门形状的银河。地景是中国恒星观测网络项目（stellar observations network group, song）1米望远镜（中），西华师范大学50厘米双筒望远镜（左）和观测辅助设备的三个圆顶。椭圆中是仙女座大星云。（作者拍摄于紫金山天文台青海观测站）
图1是一个在天文台址上拍摄的典型的星空图片。这里的天空非常透明，星空十分壮观，仙女座大星云（m31）肉眼可见，你会很自然地辨析星星的明暗。如果看得再仔细一点，你会发现星星们的颜色其实也是有区别的。
面对这样的星空，早期的研究者们把注意力主要放在天体位置的变化上，力求捕捉到相对大多数星星来讲位置移动明显的个体，并最终在分析位置数据的基础上发现行星及其运动规律——这是由观测星空引申出的包含许多数学、物理规律的天文研究成果。
时间来到二十世纪初，当两个脑洞大开的科学家抬头看天时，他们觉得应该给这些星星们排排队：谁更亮，谁又更蓝。这一排队不要紧，用颜色从蓝到红作横轴，亮度从暗到明作纵轴，天文学史上里程碑式的赫罗图便由此诞生。这两位另辟蹊径、脑洞大开的天文学家，一位是丹麦的ejnar hertzsprung[1]，一位是美国的henry norris russell[2]，赫罗图（hertzsprung-russell diagram）也正是以两人的姓氏命名的。
天文学是一门观测学科，这当然多少是出于无奈，因为我们无法像物理、化学、生物学那样直接用实验对象做实验。但天文观测的好处是：研究对象的数目几乎是无限的，即便是非常稀有的天体，我们仍然有大量样本可供统计研究。赫罗图就是通过这种统计研究进而抽取规律的利器。
这里需要说明的是：星星直观的明暗并非它自身发光多少的真实反映，因为距离是一个非常重要的参数。一个很亮的光源如果“摆”的很远，看起来也可以很暗，反之亦然。从赫罗图上读取恒星的演化轨迹，首要的假设就是：图中展示的星星都是处在同一距离上的，这一点非常重要。
那么，现在让我们来直观感受一下太阳在赫罗图上走过的路径。
►图2：赫罗图，横轴表示温度（数字）或颜色（光谱型），纵轴表示光度，对数坐标以太阳的光度为单位。从左上到右下的是主序，绝大部分恒星都处于这个序列上。主序从下到上是恒星质量增大的方向。白色曲线表示太阳从形成到死亡演化的轨迹。图片来源：http://chandra.harvard.edu/graphics/edu/formal/variable_stars/evolutionary_track.jpg
图2是一张常规的赫罗图：图中的横轴是温度（单位：开尔文），从左至右颜色由蓝变红，是温度下降的方向；纵轴是恒星的光度（单位时间从恒星表面辐射出的总能量，以太阳光度为标准单位，对数坐标），从下往上是光度增加的方向。
图中由左上（蓝色）向右下（红色）的一条恒星带为主序带。处于主序带内的所有恒星，其中央核心区皆正在进行氢核聚变反应，这个聚变过程可以在相当长的时间内持续释放出巨大能量。
图中以太阳为起点的演化迹实线标示了太阳依次经过主序、亚巨星、氦壳层燃烧恒星、红巨星、双壳层燃烧恒星（简称agb，渐近巨星）的演化历程；随后，太阳开始膨胀，图中演化轨迹水平部分标示的是时标很短的行星状星云状态；在剥离外层星云物质之后，太阳来到白矮星演化阶段（左下），并最终在这条轨迹上耗尽所有能量，变得越来越暗、越来越冷，直至无迹可寻。
其实，在赫罗图上，太阳的演化直接关系到地球命运的“点”大概只有两个：第一是主序上的太阳，第二是右上角的“红巨星”及“渐进巨星”。主序上的太阳为地球带来了宁静安详，赐予万物所需的能量，而变为“红巨星”及“渐进巨星”的太阳则可能是狰狞恐怖、令人绝望。为什么这么讲？请各位看官继续往下瞧。
宁静安详 vs. 恐怖狰狞
对人类历史而言，太阳是平静、和煦、亘古不变的。但在天文学家看来，这个“不变”是相对的，“亘古”二字实为人类历经的时标太过短暂而产生的错觉。在赫罗图上，当把大量已知距离的恒星都画在同一张图上时，最为突出的特征就是绝大多数的恒星都会处于前文提到的主序带上。这种特定区域内的高度集中，其实反应的是恒星在该区域内停留的时间特别的长，用物理知识来解释这种现象，即恒星此时正处于中心氢燃烧阶段。
主序是恒星一生中最平稳、持续时间最长的演化状态，太阳目前就处于它的主序阶段。虽然我们平日里觉得太阳“暖融融的”，其实它内部的核聚变反应时刻释放着毁天灭地的巨大能量。
太阳表面每秒钟辐射出的总能量相当于其中心区域每秒钟爆炸约一千亿颗一百万吨tnt当量的氢弹，而太阳核心燃烧区域内氢的总储量可以自点燃开始支撑这个产能过程长达约一百亿年之久！根据天文和地质科学的研究，太阳目前的年龄大约是四十六亿年，也就是说：太阳还可以继续稳定地在主序上度过五十亿年以上。
那么，太阳终究有一天会耗尽中心的氢，这之后她将何去何从呢？用物理知识进行简单描述：当中心氢核聚变能源耗尽后，太阳会收缩以保持结构的稳定性；收缩将导致中心区域的温度上升，并最终点燃中心以外的氢壳层（大爆炸合成的原初物质及主序氢燃烧的产物）。
此时的太阳，中心由于没有了能源而成为等温体，外部的氢壳层燃烧区域因为整体收缩会被加热到比之前氢聚变时的核心还热，因此这种壳层燃烧远比主序时的氢核燃烧效率更高，从而大大增加了表面辐射的总能量，也大大缩短了对应阶段的恒星寿命。太阳在这一阶段将逐渐变得又大又亮，但表面因为体积膨胀、温度下降而呈红色，这就是红巨星阶段。
也正是因为她体积的变化，从而引申出了我们最关心的问题：地球会因此而毁灭吗？
地球的命运
要回答这个问题，我们需要定量的佐证。将恒星演化理论应用于太阳，我们可以精确地预测在红巨星阶段“太阳”能够具有的最大半径，同理也能较为准确地推测出第二次变成红色巨星，即渐近巨星星时“太阳”的大小。
假定地球绕太阳运行的公转轨道在未来的七十多亿年保持现在的位置，通过下面的赫罗图（图3），我们可以为地球的命运做一个预测。研究黑体辐射的物理学提供给了天文学家一个公式，这个公式把所有恒星的总辐射量、恒星的有效温度和恒星半径联系在了一起，叫做斯特潘-玻尔兹曼定律。
借助这个定律，我们可以在刚才的赫罗图上标一条线，那是半径等于地球当前轨道半径，且具有不同温度的所有恒星在赫罗图上位置的直线（图3中的绿色粗线）。同时标出的还有对应金星（黄线）和水星（红线）轨道半径大小的位置。
►图3：与图2一样，右上角加了三条平行直线。处于这些直线上的恒星，无论温度多少，光度多高，其半径都是一样的。绿色表示恒星的半径等于地球公转轨道半径，黄色对应金星的轨道半径，红色对应水星的轨道半径。如果太阳演化轨迹的纵坐标高于这些线，则表示太阳膨胀后会超过相应太阳系行星的现有轨道，即那颗行星可能被太阳吞噬。
大约在太阳年龄为123亿年时（也就是76亿年之后），其大小将达到第一个最大值。从图3可以看出，太阳的半径完全超过了水星现在的轨道（图中的红点处），水星早就挂掉了。
随后，太阳会大大地收缩，但也会比当前的太阳大10倍以上，并在那里停留大约1亿年，之后会向更大的体积发展。此时，太阳半径会非常接近金星轨道，且变得十分暴躁（热脉动渐近巨星），此过程中会抛出大量的物质。太阳表面抛射物质在当前就时有发生（日冕物质抛射），今年记录到了一次强度罕见的日冕物质抛射，释放的能量相当于一千亿颗100万吨tnt当量的氢弹。然而即便是这样的抛射，也远逊于热脉动阶段的普通抛射过程。
可以想象，那时暴躁的太阳随便“打一个喷嚏”，近在咫尺的金星就会分分钟被蒸发。因此，金星肯定会在这个阶段挂掉。
那么，地球的命运又将如何呢？当太阳达到最大的时候，其外表面几乎可以到达地球现在的位置（还有点距离），而那时其表面温度大致是4000度！虽然太阳的表面没有真的到达地球，但此时地球安全么？
如图3所示，如果地球在未来几十亿年都保持在当前的轨道上，那么，地球将处于稠密而炽热（几乎是当今日冕的环境）的包裹之中。此时地球周边的温度（虽不是按常规的黑体辐射定义的）可以达到1万度，甚至更高。
不仅如此，红巨星阶段的太阳会向外抛出大量的炽热物质。这种抛射往往呈非均匀的团块状。在这样的恶劣环境中，地球以固态球体形式继续存在的可能性几乎为零。天文学家预计，届时地球应该被融化，甚至气化。这颗养育了人类及各繁荣物种的行星将在太阳的炙烤与“轰炸”下灰飞湮灭，但那是距现在至少76亿年之后的一个场景。
►图4：太阳处于红巨星和渐近巨星阶段，与其行星之间位置关系的直观显示。图片来源：http://futurism.com/wp-content/uploads/2013/10/sun-red-giant.jpg
我们要杞人忧天吗？
太阳在天文时间尺度上的演进，对地球这颗行星有着无可回避的生杀大权。实际上，在茫茫宇宙中，恒星的演化进程造成其行星系统的生生死死时刻都在发生，这是天体物理现象，地球和太阳系的其它行星皆无例外。
但人类需要为我们在百亿年时间尺度上的未来担忧么？笔者认为大可不必。因为在未来漫长的七十多亿年间，能够发生的事情还很多，以人类现在已经具有的能力向前推进，虽然不至于让地球消失，但已经可以使得她不再适合人类生存。需要特别说明一点，我们通过积累掌握的这些能力（即当代的知识和科学技术）从牛顿算起也就是几百年。如果把太阳的寿命比作一天，我们的这几百年连一秒都谈不上。在人们忧虑地球被太阳吞噬之前，真正需要担忧的是其它太阳系小天体的来袭，甚至是我们人类内部产生的一些致命因素。
最后需要特别说明，以上描述的太阳演化对地球的未来影响有很强的假设，即地球永远都待在现有的轨道上。这显然是不尽合理的，有理论研究和观测证据表明，行星是可以在其母星演化后期，在恒星风（从恒星流失的物质）等因素的作用下，被外推到可以安全生存的远轨道上（如图4所示，在太阳半径达到第一个极值时，地球的轨道半径可能增加10%，因此暂时安全[3,4]）。
当然，“生存”二字仅针对地球这个行星而言，其上寄生的任何生命的生存几率都会因为极端物理条件而机会渺茫。多行星系统，如我们的太阳系，木星、土星这些大质量行星在极其漫长的时标下如何影响像地球这样的小质量岩石行星的轨道仍是待研究、待证实的科学问题。更不用说，在50亿年以上的时间尺度上，仙女座大星云都将与银河系碰撞并融合[5]。图5是根据天文学家研究成果预言此过程的艺术想象，或许太阳与其它恒星相遇也有可能发生。
►图5：37.5亿年之后的星空。根据研究，我们的银河系和河外星系仙女座大星云将在37.5亿年后发生碰撞，图中显示的是艺术家根据科学预言绘制的想象图景。如果那时仰望夜空，看到的将和现在完全不同。原图来源：http://static.businessinsider.com/image/54c95ed069bedd863413dd96/image.jpg
那时，将产生远强于太阳自身演化本身的过程。此类过程将在太阳毁灭地球之前改变地球的最终归宿，但这些过程是我们现在的科学和知识不能准确预言的。
作者介绍：
邓李才，中国科学院国家天文台研究员，中国科学院大学教授。1994年在意大利高等研究院（sissa）获得理学博士学位，1997年入选中国科学院“百人计划”。一直从事恒星演化、星团和银河系方面的研究， 并承担中国科学院大学“恒星内部结构与演化”课程多年。目前担任国家天文台“恒星与恒星系统”研究团组首席研究员、中国恒星观测网络-song项目首席科学家。
参考文献：
[1] "über die sterne der unterabteilung c und ac nach der spektralklassifikation von antonia c. maury". astronomische nachrichten. 179 (24): 373–380. bibcode:1909an....179..373
[2] "relations between the spectra and other characteristics of the stars". popular astronomy. 22: 275–294. bibcode:1914pa.....22..275
[3] “the one that go away”, fortney, j., nature, volume 449, issue 7159, pp. 147-148 (2007)
[4] “a compact system of small planets around a former red-giant star”, charpinet et al., nature, volume 480, issue 7378, pp. 496-499 (2011)
[5] “the collision between the milky way and andromeda“, cox, t. j.; loeb, abraham, mnras, 2008, 386, 461
