Question

太阳系会变老吗？

Answer 1

宇宙中的一切都是有生有死的，太阳自然也不例外。现在太阳的年龄约为46亿年，正处于中年。再过50亿年，太阳中心的氢燃料便会耗尽，将由氦和其他较重元素的核反应维持其能源。在此过程中，太阳将由其目前的黄矮星阶段逐渐膨胀成一颗红巨星，而后再转变成红超巨星。当所有的核燃料耗尽，热核反应停止时，太阳将变成一颗白矮星。等到它不能再收缩，再也没有能量释放了，这时太阳也就“寿终正寝”了，成为一颗不发光的黑矮星。

毫无疑问，太阳今后的演化对其周围的行星有重要的影响。几十亿年后，太阳的光度将达到现在的1万倍，太阳的表面将延伸到地球现在的轨道。在太阳的炙烤下，整个太阳系异常炎热，高耸的山峰晒软了，冰山融化了，厚厚的大气遮盖下的行星也不再有“清风”吹拂。

(1)主序星阶段

预计太阳在主序星阶段要延续100亿年，这期间它的光度将逐渐增加。起初形成的时候，太阳的光度仅是现在的1/3，但是50亿年之后，当主序星阶段终结的时候，其光度将是现在的3倍。随着太阳光度增大，整个太阳系将产生惊人的变化。

在行星形成后不久，地球、火星和金星上的条件对液态水都是适合的。局部温度高于0℃，大气压超过6毫巴，是液态水存在的决定因素。

金星在最早的时候，可能和地球有同样多的水，但金星得到的太阳辐射是地球的2倍，如此灼热，使金星海水完全蒸发而进入大气，太阳的紫外辐射将水汽分解成氢和氧，氢由于原子轻逸散到空间，氧经过再循环与表面岩石化合，如果没有液态水，金星火山排出的二氧化碳就聚集在大气之中。在地球的风化中，水、二氧化碳和硅酸盐化合产生了碳酸盐岩石。由于存在充分的水和风化作用，地球大气中的二氧化碳几乎全部禁锢在这种岩石之中，其数量与金星大气中的二氧化碳数量相当。而金星由于没有足够的水风化，最后留下一层浓密的大气，形成了巨大的温室效应，使金星表面温度高达550℃。

假设太阳光度比现在低30%，那么地球早期液态水会怎样呢?如果这种情况发生在今天，整个地球将会被冰层所覆盖，但到目前为止，我们却仍然没有发现过去地球海洋冻结的迹象。答案可能是二氧化碳温室效应对温度的一种自然调节。地球早期液态水一直是很稳定的。当太阳逐渐变亮，地球的表面温度开始升高，越来越多的水蒸发掉，引起降雨，加剧风化，耗尽了二氧化碳，减少了温室效应，也抑制了日益增高的表面温度。

像地球一样，火星在大气较为稠密的早期也曾有过液态水。可能是由于火星冷却得太快，板块构造过早封闭，使火星上的地质活动相当缓慢并停滞下来。这说明，如果地球处于火星的位置仍会含有液态水。而火星上的迹象表明，所谓的火星运河年代已十分久远，水的痕迹已消失了几十亿年之久。今天火星赤道区域夏季的温度可达到水的熔点，但火星大气的平均压力稍低于6毫巴，所以火星表面看不到液态水。

在10亿年里，太阳的光度将增加20%，由此而产生的一个后果可能是使液态水回到火星。温度升高使火星极冠附近冻结的二氧化碳升华，如果释放足够的二氧化碳，大气压力增加会使凡是温度高于0℃的地方都存在液态水。此外，除了二氧化碳导致的温室热效应外，火星的平均表面温度至少上升10℃。这样火星夏季很可能就有液态水了。不过直接暴露的水很容易被蒸发，所以，在液态水的早期，大部分永久的水体是结冰的湖泊。但是因为火星缺乏像火山喷发那样二氧化碳的连续源，1000万年里新的较为稠密的火星大气将会与表面进行化学反应并被吸收，这就是火星没有板块构造的缘故。在接下去的30亿年，太阳的光度增加50%，水蒸气在火星大气中占有重要的比例，出现了降雨和冲蚀现象，气候逐渐接近地球，平均温度比现在高大约25℃。

当火星变得越来越适宜液态水存在的时候(距今10亿年～30亿年)，而地球却由于无法控制的温室效应而丧失水。这发生在5亿年后太阳的能源到达地球大气顶部时，洋面上飘散的水蒸气产生一种湿漉漉的温室效应。随着地球温度升高，愈来愈多的水汽化，导致温度进一步上升。云最初还可以通过增大反射率来减弱温室效应，但无奈太阳热量无羁绊地上升，最终还是无法克服这种温室效应。

(2)红巨星阶段

在太阳处于主序星阶段时，核心内的氢聚变成氦，中心核在引力收缩下最后成为一堆氦灰。这使直接在核上面的氢燃烧壳的温度增加，壳越发亮了。随着下面辐射压力的增大，在壳上面的几层膨胀并冷却。

当太阳变得越来越冷、越来越红时，它的体积和光度也变大。在主序星阶段结束(距现在大约60亿年)后10亿年，太阳的半径将增加到0.2天文单位，几乎到了今天水星的位置，如果有人有幸看到它，一定会惊愕地发现太阳将比我们今天在地球上空看到的大50倍。太阳增大了的表面积使它的光度达到它现在亮度的300倍。那时，水星和金星的表面将熔融，地球表面温度超过750℃。

当膨胀的太阳烧焦了类地行星，外太阳系里的冰体将融化。木星的3颗“伽利略”卫星有大量的水冰。木卫二被一个几乎是纯冰的壳覆盖着，在它下面可能有一个在潮汐作用下一直流淌的深100公里的海洋。木卫三和木卫四的表面虽然主要是冰，但它们有大致相同数量的冰和岩石，这些卫星表面的冰什么时候融化，主要取决于氨存在的多少。

水和氨的混合物在-100℃就可以融化，远低于纯水的融点。离开主序星阶段不久，太阳的光度比现在大3倍，如果这时有少量的氨，就可以融化。这样，在以后十亿年的大部分时间里，木卫二、木卫三和木卫四上都可能有液态水。否则，融化就不得不等到太阳的亮度进一步增大，这些卫星上大量的水可以维持长期大气和温室效应。但到红巨星阶段结束时，“伽利略”卫星的温度已剧增到250℃。水汽化迅速逃逸，然而这种高温不会持续到卫星完全“脱水”的时候。

木卫六是惟一已知拥有大气的卫星，氮占了它大气中所有分子的90～99%，其余大部分是甲烷，表面压力大约为1.5毫巴。遗憾的是，由于云雾遮掩，几次对它的探测都不太理想。一些科学家假设在木卫六表面有乙烯和甲烷的湖泊，估计水冰无论如何是存在的。由于木卫六的大气压足够大，所以温度达到-100℃或0℃(这要看氨是否存在而定)的任何地方都可能有液态水。考虑到温室加热，这些温度将出现在太阳的红巨星阶段。木卫六上有液态水的时期可能持续1000万～1亿年。

作为像太阳这样的低质量恒星，红巨星阶段在一个天文学家称为“氦闪”的过程中突然结束。“氦闪”是指在恒星演化过程中，中心区的氢全部烧尽，温度增高到1亿度以上而使氦聚变反应突然开始的现象。它的最终结果是使太阳光度降低，这个阶段持续1亿年左右，并由于这种恒星位于球状星团的赫罗图上的位置而称为“水平支”。像太阳这样一颗恒星，当它的半径减小，表面变得更热、更蓝时，光度将从现在值的300倍降到50倍。

在“水平支”阶段，太阳系内的温度将下降，只有红巨星阶段结束时温度的60%。作为液态水，“伽利略”卫星还稍嫌热些，木卫六可能有一点儿，即使红巨星阶段残存一些水蒸气，对于液态水来说，内太阳系还是太热了。

(3)红超巨星阶段

太阳的“水平支”阶段以一个氦燃烧壳围绕的惰性的二氧化碳核的建立而告结束。氦壳又被一个氢燃烧壳环绕着，当这个双壳延伸时，亮度又一次剧增。最后太阳几乎比现在亮10000倍，这时太阳已进入赫罗图右上角的红超巨星阶段。

演化成红超巨星的太阳半径达到1个天文单位，在亮度最高时，太阳系中诸天体的温度均比现在增加10倍，足以使所有的类地行星的表面熔融。甚至冥王星和海卫一这些行星系中最冷的天体也会像撒哈拉沙漠那样热得令人窒息。然而对于四颗大行星问题却没那么严重。在最亮的红超巨星阶段，它们的外层大气将只稍微失去一些气体的挥发性成分。因为这些行星很大，这点损失是微不足道的。深处的内部结构不会受到影响。

水星和金星的表面将熔融到相当的深度。这两颗行星随后被不断膨胀的太阳吞没，并很快汽化掉。地球可能不至于落到这种地步。天文学家认为，太阳表面最后将膨胀到1个天文单位以外，那时地球也已离开了它今天的轨道。

当太阳的年龄变得更老时，它将抛掉气体尘埃流里的物质，最终为减少重力，一半的太阳质量被抛进空间。到太阳表面逐渐接近地球轨道时，地球已“躲”开了，(在太阳刚处于红巨星阶段，质量损失10%时，地球就开始向后退了)。地球最后的命运会怎样呢?凶吉难卜。但愿地球能在超巨星阶段后依然幸存下来，尽管那时已被熔融得面目全非。火星和太阳系其余天体也会幸免于难，但它们将在新的更为遥远的轨道里围绕太阳运行。

超红巨星阶段即将结束时，太阳系惟一可能有液态水存在的天体是海卫一，或许还有冥王星。从海卫一看去，演化成红超巨星的太阳直径已接近4度。

由被太阳风驱进空间的尘埃反射的阳光使太阳系整个天空昼夜都是亮的。如果太阳的尘埃壳和已观测到的其他红超巨星周围的类似，夜空很可能会和地球现在白天的天空一样亮，其颜色可能和太阳不相配。因为小尖埃粒子就像给地球带来一个蓝色天空的气体分子那样，对蓝光散射更为有效。那时夜晚的天空也许会是现在日落后西边天空呈现的那种紫红色。

(4)白矮星阶段

在红超巨星结束时，离现在大约70亿年，在强大的太阳风吹动下，太阳伸展的外壳脱落了，因此产生了一个行星状星云。在行星状星云阶段之后，剩下的恒星核将是一个致密的、惰性的碳氧球状物，当重力抵抗处于简并态的电子的压力时，核心停止了收缩，并不再产生新热量。它的质量仅缩小了一半，但体积却缩成地球那样小，所以密度大大增加，达到每立方厘米一吨重。

由于太阳丢失了1/2的质量，地球和所有幸存下来的行星轨道距离都要增加一倍，这样一来，奥尔特云里的彗星可能有一半会因过往恒星的引力和银河系本身的潮汐作用跑到星际空间。

太阳从超红巨星到白矮星，光度下降了100万倍，留下来的太阳系天体在数十万年间可能有适于液态水的温度。

从地球望去，已成为白矮星的太阳视直径为9角秒，比今天的金星或木星还小，作为一颗新的白矮星，光度仅是今天的1%。太阳系温度下降的原因，其中1/3是由于太阳光度减弱，2/3是由于诸行星轨道距离增加。那时重新凝固的地球温度将为-200℃，相当于今天冥王星的温度。

如此再经过数十亿年，太阳将成为一颗不发光的、处于简并态的冷“黑矮星”，从而结束它轰轰烈烈的一生。