電影《流浪地球》的劇情其實很簡單，用一句話就能概括，就是太陽提前「死亡」，人類被迫建造大量行星發動機，把地球推離太陽系，逃亡比鄰星。這是一部典型的重工業硬科幻電影，對中國電影而言具有裡程碑式的意義，有人已經把2019年稱為中國科幻電影的元年。電影（也是同名小說）中最核心的創意是太陽的演化速度突然加快了，短期內就會發生災難性的氦閃，太陽將膨脹成為可怕的紅巨星，把地球吞沒。面對滅頂之災，人類當然不能坐以待斃，於是利用重元素核聚變技術建造了一萬座超巨型行星發動機，相當於把地球改裝成了一艘宇宙飛船，向著比鄰星方向踏上漫漫徵途，故事由此展開。影片中涉及了大量的天體物理學知識，而且都巧妙地把它們融入到了劇情中，所以現在我們就來聊聊《流浪地球》中的天體物理學。
太陽的中心，溫度有1500萬度，壓強達3000億個大氣壓，密度為160克／立方釐米；太陽的化學組成為氫71%、氦27%，還有2%是碳、氮等重元素。
太陽為什麼會發生「氦閃」
電影中說太陽在短時間內就會發生氦閃，摧毀地球。但是以人類目前掌握的恆星演化理論來看，這顯然是不可能的。太陽是一顆穩定的主序星（以氫聚變為能源並能長期穩定發光的恆星），年齡大約有46億年，正處於中年，要演化成紅巨星而發生氦閃，那是50億年以後的事。這是一段長得讓人無法想像的時間，因為人類的文明史都是用千年為單位的，即使是進化史也只是用百萬年為單位而已。
所謂「氦閃」是質量在0.5～2.3 M⊙（M⊙表示太陽質量）之間的小質量恆星演化到晚期而發生的不穩定氦燃燒現象。下面我們就來詳細介紹一下太陽是怎樣由主序星演化成紅巨星並發生氦閃的。
我們知道太陽的能源來自核心區的氫—氦核聚變反應，即每4個氫原子核（質子）聚變為1個氦原子核，這一過程會有質量虧損，損失的質量以相對論中質能方程（E=MC2）的形式轉化為能量釋放出來。這一過程的轉換效率約為0.007，看似不高，但卻足夠保障太陽的億萬年輝煌。太陽內部每秒大約有6億噸氫參與聚變反應，損失質量426萬噸，釋放出的能量相當於每秒鐘爆炸 920 億個百萬噸級的氫彈。核聚變反應是人類目前的知識體系中唯一能夠合理解釋恆星能源機制的理論。
儘管太陽非常巨大，但其內部的氫元素也是有限的，總有耗光的一天。大約50億年後，太陽的能源危機終於出現了——核心區的氫幾乎都已經聚變成了氦，在中心形成一個氦核。氦核不產生能量（氦聚變所需的溫度比氫聚變高得多），於是收縮，密度快速增大，使氦核進入了電子簡併狀態。
什麼是電子簡併態呢？我們知道，高溫會導致原子電離（形成等離子體，火焰就是等離子體），但高密度同樣會使物質電離。一團物質被壓縮得越來越緊密，這意味著原子間的間距越來越小，如果密度繼續增大，超過500克／立方釐米時，原子也會被「壓碎」——核外電子彼此會侵入到另一個原子的內部空間，這是不允許的，於是電子就只好脫離出來，成為自由粒子，原子被解體了，這叫壓致電離。電離後電子和原子核所佔據的空間要遠遠小於原先中性原子佔據的空間。如果把原子核放大到蘋果大小，那原子的直徑就有3公裡左右（原子核半徑只有原子半徑的萬分之一到十萬分之一），可見原子內部其實是空空如也的，空間浪費很嚴重，一旦電離，就相當於把這部分空間全都騰了出來，所以等離子體的密度可以遠遠高於普通物質。此時原子核仿佛是浸泡在一片電子海洋中。
這種高密度的等離子體和常見的高溫（相對低密度）等離子體有什麼不同呢？高溫等離子體中的粒子動能是和溫度成正比的，也就是內部壓力的大小取決於溫度，而高密度等離子體（儘管也有較高的溫度）卻不是這樣，此時物質受泡利不相容原理影響（該原理是泡利於1925年提出的）。泡利不相容原理規定，一個量子能級的電子軌道上最多只能容納兩個電子。對於普通物質而言，由於空間足夠大，所以有大量的低能級軌道供電子使用，此時電子的平均動能就幾乎只受溫度影響。當物質被壓縮得越來越緊密時，由於內部空間大大縮小，低能級軌道的數量也大大減少，並且這些軌道能夠容納的電子數量也是有限的，於是在泡利不相容原理的作用下，電子只能進入高能級軌道，一旦這一層軌道也被佔滿，就進入更高能級的軌道。軌道能級越高，電子的動能就越大，直到電子的運動速度接近光速（密度為1000公斤／立方釐米時，電子的速度就接近光速）。這就好比觀眾去劇場看演出，最前面的座位總是最容易被佔滿（相當於低能級軌道），然後觀眾才會選擇第二排、第三排……的座位。這種現象就叫做電子氣體的簡併（所謂「簡併」，可以理解成「簡單」地「並」在一起）。
好了，現在太陽中心形成了一個高密度的電子簡併態的氦核球。氦核在收縮過程中釋放出來的巨大引力勢能加熱了外部的氫包層，於是點燃了氫聚變反應，形成氫燃燒殼層。所以這一階段的太陽結構是中心有一個不產生能源的氦球（半徑約2萬公裡），氦球外部則包裹著一個進行熱核反應的氫燃燒殼層（厚度約2000公裡），提供著恆星的全部能量來源，再往外就是厚達上億公裡但密度很低的氫包層。隨著氫燃燒殼層的啟動，恆星外包層迅速膨脹，終於成為一顆紅巨星。這是太陽的光輝頂點，光度達到最大，但對地球而言卻是滅頂之災。此時的太陽就像一個紅色巨獸，體積將膨脹到可以把地球軌道也吞沒，表面溫度下降到約3000K，光度則增大到現在的2000倍以上。太陽在紅巨星階段可以停留約10億年。
隨著時間推移，氫燃燒產生的氦不斷注入中心核球。當氦核的質量達到0.45 M⊙時，將發生進一步收縮，簡併程度提高，最終進入相對論性簡併狀態（即簡併電子的運動速度接近光速），於是溫度必然飆升，達到1億度時氦聚變反應終於被點燃了（產物是碳和氧）。這種簡併狀態下的氦燃燒就是「氦閃」，是一種非穩定核燃燒。
具體過程是這樣：當氦燃燒在簡併氦核內部某處被點燃後，釋放出大量能量。此時電子已經接近光速，所以無法吸收多少能量，但質量較大的離子卻遠低於光速，可以吸收大量能量。於是離子被迅速加熱，最終使離子壓強超過簡併電子壓強，簡併態被解除。爾後反應區迅速擴大，不過由于越靠近中心簡併程度越高，解除簡併狀態所需的能量越多，所以反應區先向外部的氦核物質擴展，然後再向中心發展，直至整個氦核的簡併態都被解除。於是在高溫離子氣體的強大壓強作用下，氦核迅速膨脹，導致溫度快速降低，最後熱核反應熄滅，氦閃過程也就結束了。整個過程大約持續幾分鐘到幾十分鐘時間。這個時間雖然短暫，但已經使恆星有機會通過膨脹做功的形式進行調整，不至於出現毀滅性的後果。但是過度膨脹的恆星肯定不能持久，引力很快就會站出來進行必要的調整。氦核首先收縮升溫，接著外層物質也開始回落。
之後的演化很像歷史重演，氦核質量增加，再次發生氦閃。不過第二次氦閃的威力已經沒有那麼大，因為此時氦核的簡併程度已經降低，最外層的氦物質已經不是簡併態。之後氦核還會發生好幾次氦閃，但是威力越來越小，當最後一次氦閃發生時，就只有最中心部分是簡併態，氦閃的能量基本上只夠用於解除物質的電子簡併狀態，這樣氦核就實現了物質正常化（普通等離子體），平穩的氦燃燒終於建立起來了。這個過程大約持續200萬年。
超級計算機模擬的類太陽恆星的氦閃過程
在《流浪地球》小說中，氦閃發生在太陽演化成紅巨星之前，這是錯誤的。通過以上介紹我們知道，太陽其實是先演化成紅巨星，然後才發生氦閃，在氦閃之前，太陽很可能就已經把地球吞沒了。而且太陽發生氦閃時的情景也不可能像小說中描寫的那麼壯觀，因為氦閃釋放出來的能量主要用於解除氦核的簡併態，並使氦核膨脹，對太陽外層物質的影響實際上很小。所以從外部來觀察，太陽的變化並不大。
什麼是「洛希極限」
對於大部分普通觀眾而言，《流浪地球》電影中最難懂的天體物理學概念有兩個，一個是「氦閃」，另一個就是「洛希極限」了。電影中地球為什麼會被木星的引力捕獲呢？地球要想擺脫太陽的引力飛出太陽系，光靠行星發動機的推力是不夠的，還需藉助木星的引力加速才行，這叫「引力彈弓」效應。實際上人類發射的各類深空探測器常常利用「引力彈弓」效應來加速，例如美國1997年發射的「卡西尼」號土星探測器，就曾先後兩次飛掠過金星，利用金星的重力場來給探測器加速，之後又途經地球、木星，最終飛抵土星。這一過程探測器就像被行星彈射出去一樣，因此稱為「引力彈弓」。當然，要實現這一點必須精確設計探測器軌道，尤其是入軌角度和離軌角度，而且距離行星不能太近也不能太遠。如果距離太近了探測器就可能被行星引力捕獲，成為行星的衛星甚至相撞，無法逃脫；如果距離太遠了「引力彈弓」效應太弱，難以對探測器起到加速作用。如果我們把探測器換成地球，原理是一樣的。不過在電影中地球接近木星時出現了嚴重問題，由於受木星強大引力和磁場的影響，地球上的行星發動機大面積停機，結果導致地球距離木星太近，一度逼近木星的「洛希極限」，險象環生。這一虛構情節成了影片的高潮部分。
木星是太陽系最大的行星，體積是地球的1316倍，質量是地球的300多倍。木星表面著名的「大紅斑」實際上是一個巨大的氣體漩渦，長約2萬多公裡，寬約1.1萬公裡，可以並排放進3個地球。
那麼什麼是「洛希極限」呢？要理解這個概念首先要了解什麼是「潮汐力」。我們知道兩個天體之間的引力作用是受距離影響的，距離越近引力強度越大，這就意味著天體之間的相對面要比背對面受到的引力作用大一些，以地月系統為例，地球對月球正面的引力作用就要比對月球背面的更大，這種引力差就是潮汐力。當然，月球對地球同樣有潮汐力作用。地球上海水的潮汐現象就是由於月球和太陽的潮汐力引起的。不光液體，固體同樣受潮汐力影響，地球的固體地殼其實也有潮汐漲落現象，稱為固體潮，只不過這種漲落是很小的，平均只有幾十釐米。潮汐力的作用是企圖把物體撕裂。當兩顆天體互相靠近時，潮汐力隨著距離的縮短越來越大，直到其中一顆天體解體為止（也有不被摧毀的情況，最終兩顆天體發生併合）。通過計算發現，一個質量為3百萬M⊙的巨型黑洞，當一顆普通恆星距離它2億公裡時就會被潮汐力摧毀；如果是質量為10 M⊙的黑洞，當航天員距離它400公裡時也會被潮汐力撕碎。這個潮汐力的摧毀距離就是「洛希極限」（法國數學家洛希在19世紀中葉首先提出）。很容易想像，一個物體尺寸越大，密度越低，就越容易被潮汐力摧毀，所以洛希極限又分為剛體洛希極限和流體洛希極限。
現實中地球當然不可能進入木星的洛希極限範圍，但在漫長的演化歷史中木星已經摧毀了無數曾經靠近它的小天體，事實上木星環就是由這些小天體的殘骸組成的。1992年，一顆被命名為「舒梅克－李維九號」的彗星就進入了木星的洛希極限範圍內，結果被強大的潮汐力撕裂成21塊碎片。這些碎片大部分直徑在2～35公裡之間，最終於1994年7月17日相續撞向木星，撞擊速度達60公裡／秒，釋放的能量相當於20億顆廣島原子彈。
慧木大碰撞