漲知識!太陽的演化過程:從紅巨星到白矮星
2020-12-05 騰訊網NGC 5307是位於半人馬座的行星狀星雲，距地球約10000光年。行星狀星雲是當像太陽一樣的恆星在到達生命結尾時的殘餘物。
NGC 5307的哈博圖像不僅讓人驚奇恆星的過去，也讓人沉思我們太陽的未來。
恆星從不斷成熟到達生命結束，這是一段漫長、緩慢的過程，其間由不同劇烈變化分成幾個階段。同NGC 5307一樣，我們的太陽最終也會拋射出它外層的氣體，成為一顆紅巨星。
幾十億年後，太陽將點亮拋射出的氣體，形成星雲，自身成為一顆白矮星。
現在，我們的太陽處於主星序，在它的中心氫核聚變為氦核。聚變反應釋放出巨大的能量，為地球提供了熱能使生命可以在地球存活。（事實上大部分熱量由質子-質子鏈反應產生，而不是產生自聚變反應本身）
恆星處於核聚變產生的向外壓力和自身質量產生的內向重力的平衡狀態，這個平衡被稱為流體靜力學平衡，但恆星不能永遠保持在這個平衡狀態。
太陽在逐年、逐世紀、十億年地進行著氫核聚變為氦核、釋放熱量、損失質量的過程。雖然像太陽這樣的恆星看起來是穩定不變的，但是在自然界沒有什麼是永遠不會改變的。
太陽每秒鐘大約有6億噸氫聚變為氦，並在這個過程中損失質量。太陽損失的質量轉化成了能量，這個轉化過程可以通過愛因斯坦的能量方程E=mc 解釋。這是一個非常巨大的量，事實上在太陽在45億年中已經損失了將近木星等量的質量。
太陽不斷損失質量，使得質量可提供的內向重力不足以承載核聚變產生的向外壓力，最終太陽的平衡狀態將被打破，開始向外膨脹成為一顆紅巨星。
天文學家通過計算得出大約50億年後，太陽將成為紅巨星並膨脹到足以吞沒水星、金星甚至地球。
屆時，太陽的發光強度大概會相當於現在的兩倍。到那時，地球從太陽獲取的能量會和金星現在從太陽獲得的能量相當。這對生命在地球的存活來說不是一個好消息。
紅巨星的階段之後，太陽將變為超大星。經過五億年，太陽將膨脹為兩倍大；再經過五億年，會再膨脹一倍，亮度將變為之前的2000倍。
這時，太陽已經成為一個巨大、明亮且具有威脅性的星球，它會變紅併吞噬掉太陽系內的行星。它將處於紅巨星的分支，內核由氦組成並包裹一層氫。在經歷了幾十億年的生命之後，太陽將只能存活大概1億年。但在這一億年中太陽還將經歷許多個演變階段。
首先是氦閃，這個過程中太陽將燃燒40%的質量：內核中6%的氦轉化成碳，這僅需要幾分鐘時間，與太陽幾十億年的生命相比驚人的短。
圖解：太陽的演變過程(Szczureq/CC BY-SA 4.0)
太陽在失去質量之後縮減為現在大小的10倍，發光大約為現在的50倍。此時太陽處於水平分支並將在接下來的幾億年中繼續燃燒內核的氦，稍微增大自身體積和亮度。
但這時的太陽即將耗盡燃料，內核的氦正不斷耗盡並損失更多的質量。沒什麼可以阻止這個過程，太陽再一次像它進入紅巨星階段那樣發生膨脹。
但這次的膨脹速度將快得多。
太陽變得更加不穩定，並不可逆地進入它生命的最後階段。它開始了漸進巨星分支階段，接下來的大約兩千萬年太陽將處於漸進巨星分支的早期階段。
此時太陽的內核幾乎由氧和碳組成，氦組成的殼層不斷聚變形成更多的碳，另一個氫組成的殼層則聚變稱為氦。有許多事情正在發生。
太陽將在一系列熱脈衝和質量損失中發生劇烈震動。每一次熱脈衝將持續大約一百年，而每一次太陽都將變得更大、更亮，每一次熱脈衝都將比上一次更強。整個過程會持續約10萬年。
計算結果顯示，在結束生命之前我們的太陽大約將經歷四次這樣的熱脈衝。
經歷過這些熱脈衝的「折磨」，太陽將會平靜下來。換句話說，太陽將會死亡，至少進入昏迷狀態。
脈衝過程中太陽會拋離它的外層部分，成為一顆白矮星，此時的質量將只有太陽最初質量的50%。
圖解：星雲. (美國宇航局/歐洲航天局/C.R. 奧戴爾/D. 湯普森/哈勃傳統團隊（STScI/AURA）提供)
脈衝過程中太陽會拋離它的外層部分，成為一顆白矮星，此時的質量將只有太陽最初質量的50%。
此時的太陽已經死亡因為已經不再有任何聚變發生。作為一顆白矮星，此時太陽僅發射出自身儲存的能量。此時的能量來自於緊密壓縮的電子簡併壓力，而不再發生聚變。
但太陽依然在發光，發射出的能量進攻到之前熱脈衝時拋射出的氣體層，使氣體發生電離發光。那時我們的太陽將成為一片星雲，就像開始時我們提到的NGC 5307。
通過NGC 5307我們可以一瞥太陽生命的終點。就像NGC 5307一樣，幾十億年後的一天，太陽將會成為它孕育生命的等離子球光輝過去的殘骸。
儘管被稱為行星狀星雲，星雲附近並不存在任何行星，在膨脹過程中所有的行星都已經被摧毀了，能夠留存的僅有氣體。
圖解：NGC 5307行星狀星雲，中心為白矮星（美國宇航局/歐洲航天局/哈勃提供）
但到最後，即使是氣體也將離去。氣體將遠離中心恆星並冷卻。行星狀星雲在大約一萬年後，中心的太陽將成為發光微弱的白矮星，並留存上萬億年。
此後，理論上來說，太陽將成為黑矮星，完全冷卻並完全不釋放能量。這個階段僅停留在理論因為至今還未有任何黑矮星被觀測到。事實上恆星要進化到這個假想的黑矮星階段所需的時間比宇宙自身的壽命還長。
行星狀星雲釋放出的氣體還有它的任務。在太陽演化後期的混亂階段，星雲中的氣體將經歷一個恆星核合成過程，產生比氫、氦更重的元素。
這些元素在天文學上被稱為「金屬」，它們將被送外太空，參與另一顆恆星的形成過程。這些元素會豐富下一顆即將生成的恆星或者恆星周圍的行星。
天文學早期的行星狀星雲命名其實並不準確。星雲同行星沒有任何關係。但是最初觀察到這些星體殘骸的天文學家通過望遠鏡只能看到星雲圓形的外形，他們猜測他們是一群行星。
現在我們已經知道這並不是事實。我們知道它們的本質是什麼。每一個星雲都像是它到達這個階段的幾十億年時間加和的快照。雖然人類不可能親眼看到太陽變成星雲（也許），但這就是太陽最終的命運。
給讀者註：
在恆星的生命和最終死亡過程中還有很多很多細節。當我們描述「氫核聚變為氦核並釋放熱量」時，其中還有很多未提及的過程，太過複雜很難用一篇文章解釋清楚。
如果你想了解更多有關恆星的信息，我建議閱讀肯尼斯·R·朗的《星球的生與死》（2013）。朗是塔夫茨大學的天文學教授，他可以很精彩地解釋有關星球的一切問題。
參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學名詞
3. EVAN GOUGH, UNIVERSE TODAY-南北角
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