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我们能否为太阳“延年益寿”?

2019-11-13田希子

科学之谜 2019年10期
关键词:矮星延年益寿核聚变

田希子

遥望整个宇宙,人类是如此的幸运,我们生活的地球可能是唯一存在生命的星球。太阳正值壮年,地球和太阳的距离又恰到好处,才有能够孕育生命的良好环境。

不过,随着太阳燃料的逐渐减少,它已经走过了自己一半的青春岁月。再过50亿年,太阳将会结束自己最后的呼吸,经过超新星爆发后,留下一具尸体——致密的白矮星。

为了延续生命,人类必须想出一些办法来。那么,我们能否将太阳的寿命延长数十亿年甚至上万亿年呢?

方案一:添加燃料

太阳主要由氢和氦组成,氢在太阳内核的高温高压下聚变成氦,并释放出能量。如果太阳快没燃料了,那就让我们再加点吧!太阳系有四颗主要组分为氢的气体巨行星,也许我们可以把它们扔到太阳里?

实际上,这种想法在延长太阳寿命方面适得其反。虽然把这些气体行星扔到太阳里会给它提供更多的燃料,但是额外的质量会增加太阳内部的引力压力,引力坍缩释放能量,导致内核的温度更高,燃烧速率更快,其实减短了太阳的寿命。如果我们将所有的气体行星扔向太阳,它的寿命会缩短约3000万年。当然,放入太阳的质量越多,太阳的寿命就越短。

方案二:减少燃料

如果增加质量会降低太阳的寿命,那么也许我们可以做相反的事情来延长它的寿命——找到一种方法,吸走太阳里所有的氦和大部分的氢。

恒星的质量越小,寿命越长。红矮星是宇宙中数量最丰富的恒星类型,它们的质量很小,最大也不超过太阳质量的一半,因为核聚变反应比较温和,寿命也相对较长。最小红矮星的寿命估计超过5万亿岁,是现在宇宙年龄的350多倍。如果我们将太阳质量变成一颗红矮星的质量,理论上,它可以存活上万亿年。

然而,这个解决方案有几个问题。首先,小太阳的红外辐射少、光照不强,宜居带要离太阳近很多,因此,我们需要让地球更接近太阳。然而,即便是我们能找到这样做的方法,距离恒星太近的行星很容易被潮汐锁定,在这个过程中,行星只能用一面向着红矮星。这种现象可能会使地球的一边变成焦土荒原,另一边变成贫瘠的苔原。此外,红矮星的太阳耀斑非常强烈。由于内部核聚变活动比较小,所以它的表面比较冷,导致表面活动性不强,它内部产生的热量不容易到达表面,必须找到突破口才能喷发出来。在一定的时间尺度上,红矮星会像火山喷发一样,发生太阳耀斑现象,地球的磁场也不能帮助我们避开毁灭性的打击。因此,将太阳缩得太小可能不是一个好主意。

不过,如果我们只提取太阳质量的20%,使其刚好处于G型星(质量在0.8到1.2个太阳质量之间)的下限,就可以避免潮汐锁定和致命的耀斑问题,同时将太阳的寿命延长6亿年。届时,金星会处于太阳系的宜居带,地球的生命需要转移到那里。然而,仅仅延长太阳6亿年的生命,也许还不值得我们如此大费周折。

方案三:氦变回氢

在太阳的内核里,氢正在不断地聚变成氦,直到有一天,氢消耗殆尽,太阳几乎完全由氦组成。既然我们不能增加质量,也不能减少质量,那么如果我们自己来把太阳的氦分裂成氢,让它无限期地存活下去呢?

太阳核心的聚变是由质子-质子链控制的,6个氢原子(质子)經过一系列的步骤,形成一个氦4原子(2个质子和2个中子)与两个“新”的质子。如果我们分裂氦4原子,自由的中子会迅速衰变为质子和电子,我们就回到了聚变反应的起点(即6个质子)。如果能找到分裂太阳中心氦4原子的方法,太阳就能一直进行质子与质子的聚变。

然而,在相同质量的情况下,氢核聚变所产生的能量不够氦核裂变所需要的能量,这也是太阳中心反应不可逆的原因。打破相同质量的氦原子核中粒子间的约束所需的能量,比相同质量的氢核聚变反应释放的能量高出6%,这意味着:即使我们将氢核聚变产生的所有太阳能用于分裂氦,氦的产生速度还是会稍大于氦分裂的速度,氦还是会继续累积。因此,如果该方法能够实现,太阳的寿命可以延长大约1万亿年,而不是无限期延续。

10亿年是很长的一段时间,我们不知道在这样的时间尺度内技术会进步到哪种程度,或者人类会变成什么模样,也许我们最终有能力延长太阳的生命。大概只有时间能够为我们解答一切。不过,为了让智慧生命和星球文化延续,我们还要继续带着疑问和想象去探索未知。

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