太阳之死

太阳将如何膨胀成红巨星，然后渐渐暗淡成白矮星

用 3D 观看

逐步了解

今天的太阳

太阳已经 46 亿岁，大约走过了一生的一半。它的核心每秒把约 6 亿吨氢变成氦，释放出的能量让它持续发光。

在核心深处，约 1500 万 °C 的高温下，氢原子核相互碰撞，聚变成氦。每次都有一点质量消失，变成能量，正如爱因斯坦的 E = mc² 所说：每秒约 400 万吨。这些能量要花许多千年才能一路挤到我们看到的表面。

没有人能等上数十亿年去看一颗恒星变老，但也不必如此。天上满是质量与太阳相近的恒星，处在从新生到死亡的各个阶段。描述恒星如何运作、并用它们全部检验过的计算机模型，讲述了接下来的故事。

这里的大小、温度和时间，都来自克劳斯-彼得·施罗德和罗伯特·康农·史密斯的一个这样的太阳模型，它一直追踪太阳，直到它抛掉最后一层外层。

越来越亮

随着氦在核心中堆积，太阳慢慢变亮，每十亿年约亮 10%。大约十亿年后，这就足以把地球的海洋煮干。

氦是太阳之火的灰烬，在核心中越积越多。这让核心被压得更紧、更热，于是氢聚变得更快，太阳更亮。它刚诞生时，亮度只有今天的约 70%。

绿色的环是宜居带，像地球这样的行星在那里可以保有液态水。太阳变亮时，这个环向外移动。大约十亿年后，它的内缘越过地球：空气中充满水蒸气，锁住更多热量，海洋开始沸腾蒸发。在高空，阳光把水分解，其中的氢逃逸到太空。

到这个阶段结束，也就是大约 54 亿年后，太阳将比今天亮近一倍，宜居带将外移到火星轨道。

核心燃尽

大约 54 亿年后，核心的氢用完。核心收缩变热，氢在它周围的一层壳中继续燃烧，太阳的外层开始膨胀。

中心没有了燃料，氦核撑不住自己，开始收缩。收缩使它变热，热量点燃了它周围一层薄壳里的氢，燃烧得比核心任何时候都快。

多出来的能量把太阳的外层向外推。外层在扩展中冷却，太阳从黄白色变成橙色。虚线圆圈是它今天的大小。

每颗恒星在核心的氢耗尽时都会走到这一步，而且越重的恒星来得越早。质量是太阳两倍的恒星大约十亿年就到这里；最小的红矮星则会持续发光数万亿年，远远超过宇宙迄今的年龄。

红巨星

它表面的引力将比今天弱约十万倍。那里沸腾的气体在几个巨大的元胞中上升，每个几乎和地球到太阳的距离一样宽。2017 年，智利的甚大望远镜在红巨星天鹤座 π¹ 上看到了这样的元胞。

被如此微弱地束缚着，表面很容易被吹走。在太阳长到最大之前，一股强风就带走了它三分之一的质量。拉住行星的质量少了，行星的轨道便变宽。

地球的命运

在那之前很久，地球就已是一个焦灼熔化的世界：当太阳比现在亮一千倍时，照到地球上的热量足以熔化岩石。

靠近巨星的行星会在巨星上掀起一个隆起，就像月球在地球海洋上掀起潮汐。这个隆起的引力让行星减速，于是它螺旋着向内坠落。在施罗德和史密斯的模型中，这胜过了地球轨道的变宽，地球在金星之后一百万年被吞没。

另一些模型采用不同的质量损失，让地球在更宽的轨道上逃过一劫。这是一场势均力敌的赛跑，答案取决于巨星如何失去质量，而这仍在测量之中。

氦闪

在顶点，核心达到约 1 亿 °C，其中的氦一下子全部开始聚变，就像一道闪光。随后太阳收缩到今天的约 11 倍大小，燃烧氦超过一亿年。

氦要在约 1 亿 °C 下才能聚变成碳和氧。此时太阳的氦核被压得极其紧密，受热后不会像气体那样膨胀变冷。所以氦一旦开始聚变就会失控：在几秒钟里，核心产生的能量约等于整个星系。

这些能量一点也传不出去。它们用于让核心松弛下来，表面什么也看不出。之后核心平稳地燃烧氦，太阳安定下来，比红巨星时小得多，但仍比今天亮约 50 倍。

处在这个阶段的恒星很常见。在恒星颜色和亮度的图表上，它们聚成一团，或者在古老的星团中排成一条带，天文学家称之为水平分支。

再次成为巨星

当核心的氦也用完，太阳再次膨胀成巨星，这次包裹着一个由碳和氧组成的核心。大约每十万年，它燃烧的壳层就爆燃一次，把外层抛出去。

现在，氦在碳氧核心周围的一层壳中燃烧，氢在更外面的另一层壳中燃烧。两者轮流进行：氢壳不断堆积氦，直到氦壳爆燃，这叫热脉冲，然后一切又平静下来。

这一次太阳长到今天的约 180 倍，比红巨星时小，所以火星和更远的行星得以幸免。它在一股缓慢的气体和尘埃之风中失去剩余质量的近五分之一。

这样垂死的巨星包裹在一层层气体和尘埃壳里。在红巨星玉夫座 R 周围，阿塔卡马大型毫米波阵列看到了在一次这样的脉冲中抛出的一层壳。我们银河系中的大量尘埃，都是在这样的风中形成的。

发光的云

行星状星云和行星毫无关系：在早期的望远镜里，它们看起来像行星一样是圆的。银河系中已知的有数千个，每一个都是一颗像太阳这样的恒星的最后一口气。

裸露的核心主要发出紫外线，把气体原子中的电子剥离。当原子重新捕获电子时，每种元素都发出自己的颜色：靠近炽热核心的氧呈蓝绿色，更外面的氢和氮呈红色。这里的颜色和真实星云一样遵循这一规律。

很长时间里，天文学家认为像太阳这样轻的恒星无法形成可见的星云：它的核心升温太慢，气体会在被照亮之前就散开。2018 年发表的新模型表明，它升温得足够快。太阳的星云会比较暗淡，但亮到足以从其他星系看到。

气体以每秒几十公里的速度向外飞散。大约 10,000 年后，它变得太稀薄而无法发光，散入银河系，也许有一天会成为新恒星和新行星的一部分。

白矮星

白矮星密度极高，一茶匙白矮星物质大约和一辆汽车一样重。撑住它的只有电子：它们被挤得紧到自然所允许的极限，拒绝再被压得更近。

电子能撑住的也有极限。没有一颗白矮星能超过约 1.4 个太阳的质量：超过了，连电子也会屈服，恒星会进一步坍缩。

天狼星 B 是夜空中最亮恒星的伴星，就是这样一颗白矮星，质量与太阳相当，却比地球还小。

慢慢暗去

幸存的行星在比今天宽近一倍的轨道上绕白矮星运行。在数十亿年里，它慢慢冷却、暗淡。宇宙中还没有哪颗白矮星来得及变暗熄灭。

白矮星只靠剩余的热量发光。它起初冷却得很快，之后越来越慢。已知最古老的白矮星已经冷却了约一百亿年，仍在微弱地发光。要冷却成一颗寒冷黑暗的黑矮星，所需时间远远超过宇宙迄今的年龄。

许多白矮星上落有岩石尘埃，那是它们的小行星和行星的残骸。有些至今仍有行星：2020 年，人们发现一颗木星大小的行星绕着白矮星 WD 1856+534 运行。