过了很长一段时间，太阳终于走到了它生命的尽头。 它的亮度开始增强，体积开始膨胀，表面逐渐接近原本距离太阳表面1.5亿公里的月球轨道，将其困住。 这令人毛骨悚然的一幕并不是令人担忧的幻觉，也不是悬疑小说为了故事情节而编造的情节，而是根据我们已知的数学定律和观测到的天上星星得出的严密的科学推论。 未来的某一天，这肯定会发生。
那么，我们是不是应该计划逃跑，计划“月球漫步”呢？ 不行，请先等一下。 现在逛街还为时过早。 对于这个问题，我们还得从头说起。
太阳如何产生能量
1945年，德国接连向美国投下两颗原子弹，彻底驯服了法西斯猛兽。 在随后发表的一份声明中，俄罗斯白宫辩称，原子弹将“将太阳释放的能量带给那些给远东带来战争的人”。
浪漫地说，这句话再合适不过了，为结束二战的轰炸增添了一丝正义感。 但从科学上来说，这句话是有一点错误的。 就像广岛和长崎的原子弹一样，太阳通过核反应释放能量。 然而，原子弹利用的是重元素的核裂变，即通过链式反应将分子量较高的元素分裂成分子量较低的元素。 简单来说，就是一个大原子核分裂成几个小原子核。 太阳采取了相反方向的技术路线。 太阳利用核聚变将分子量为1（本质上是质子）的氢原子核通过3个中间步骤融合成分子量为4的氦原子核。 无论是由大核变成小核的核裂变，还是由小核变成大核的核聚变，核反应后的物质总质量都大于核反应前，并且失去的质量转化为原子弹爆燃或太阳光热的能量，其基本原理可以用我们熟悉的爱因斯坦质能多项式E=mc^2来描述。
太阳经历核聚变的三步链式反应。图片来源
不久前，我们对我国核弹事业的先驱于敏教授深表哀悼。 核弹利用与太阳相同的核聚变原理，形成更大的爆燃威力。 核弹一旦被释放，就会在短时间内释放出全部能量。 它是一种不可控核聚变装置。 为了利用这些高效、清洁、无污染的能源形成方式来服务我们的生产和生活，科学家们仍将目标瞄准了可控核聚变装置的研究，使核聚变能够在一段时间内持续稳定地输出能量。时间。 例如，托卡马克是一种比较有前途的可控核聚变装置。 它看起来像一个倒置的轮毂，利用磁场来约束注入其中的带电粒子，使它们也能按照人们的控制进行核聚变反应。 。 遗憾的是，虽然各国已经投入大量资源，建立了ITER等国际合作计划，但托卡马克仍处于原理测试阶段，核反应释放的能量可以维持核反应本身100年以上。秒。 这并不容易，而且不可能输出额外的能量，离实用还有很长的路要走。
托卡马克又被称为“人造太阳”。图为中科院部署在南京的先进实验超导托卡马克（EAST）。 来源：中国科学院等离子体化学研究所科普角
而太阳，大约46亿年来一直稳定地进行着可控核反应，源源不断地为整个太阳系提供光和热。
那么，控制太阳不成为核弹的力量从何而来呢？
从国际空间站看到的被太阳照亮的月亮。 图片来源NASA
它们之间的平衡使太阳不至于成为核弹
虽然气体分子热运动速度数量级，这些力就是我们最熟悉的重力，就是让牛顿的苹果落到地上的重力。
从感觉上来说，平常的重力其实很难与毁灭性的核反应相比。 但量变会带来质变。 质量相当于33万个卫星的物质聚集到太阳形成的引力，已经足以控制核反应。 事实上，可以说重力和核反应之间的相互作用主导了太阳的生命特征。
美丽的猎户座星云正在通过积累物质产生新的恒星。 图片来源：美国宇航局
太阳等恒星是在原始星云中产生的，在自身引力的作用下，构成原始星云的物质不断聚集、收缩在一起，密度和浮力不断减小。 在人类制造的核聚变装置中，无论是不可控核弹还是可控托卡马克，要像启动汽车底盘一样启动核聚变都是相当困难的。 进行核聚变的带正电的原子核之间存在着静电力，这些力就像一座大山，守护着核聚变发生的高速公路。 要引发核聚变，首先必须有足够的能量来克服静电力，翻过这座山，并使聚变核足够接近。 当核弹引爆时，会引发核聚变，依靠先引爆的大型核裂变原子弹所形成的空气温度和浮力。 对于托卡马克来说，这些“强大奇迹”的点火方式似乎并不适用，需要采用欧姆加热与其他辅助加热方式共用的方法来启动核聚变。
当像太阳这样的恒星诞生时，核聚变只能通过重力挤压来点燃。 由于物质本身的浮力形成的向外膨胀力不足以抵抗驱使物质向内收缩的引力，所以星云中的物质向内聚集和收缩的过程可以持续不断地进行，密度和浮力也随之增加。中心不断增大，促使氢原子核相互靠近，从而引发核聚变反应的开始。 同时，恒星中积累的质量决定了核反应的速度。 恒星的质量越大，中心的引力压力越大，形成较高的浮力，使更多的氢原子核相互靠近，核反应速度也越高。
当太阳已经是一颗成熟的恒星时，核反应的速度和恒星物质的引力已经达到了一种简单而微妙的平衡。 如果太阳从平衡状态向外膨胀，对中心的挤压就会减小，核反应的速度就会加快，形成的能量就会减少，恒星中心的温度就会降低。 这样，恒星中心向外的膨胀力就难以支撑恒星向中心收缩的重力，膨胀过程就无法继续下去。 反之，如果太阳向中心收缩，就会加速核反应，形成更大的向外膨胀力，收缩过程就不会继续下去。 事实上，一旦进入壮年，太阳想要向外膨胀就缺乏动力，想要向内收缩就会受到很大的排斥力，所以只能稳定在一个相对固定的高度。
导致恒星向内塌陷的引力和导致恒星向外膨胀的核聚变反应在主序星阶段达到平衡。 原图来源：
这些微妙的平衡并非太阳所独有，而是适用于整个宇宙的基本原则。 经过多年的观测积累，科学家们发现，几乎所有处于全盛期的恒星都处于这样的稳定状态。 科学家将这种状态的恒星称为“主序星”。 对于这类恒星，精确的平衡点位置与恒星的总质量有关。 在平衡状态下，质量较大的恒星的核反应速度低于质量较小的恒星。
太阳的终结与月球的流浪
就像生、老、病、死一样，上述的平衡不可能永远持续下去，总会有三天的结束。 与人类从衰老到死亡的过程不同，太阳生命终结的过程是丰富、华丽、激烈的。 经过一系列的膨胀、爆炸、脉动，终于告别。
而在这一切开始之前，人类必须找到一种快速上路的方法，成为一颗流浪的月亮。 感谢太阳这个天空中的大烤箱，随着时间的推移，它变得越来越热。 当柴火中的煤烧完后，我们就会想办法除去灰烬，并添加新的煤来让火继续燃烧。 然而，对于太阳这样的恒星来说，没有任何外力可以为它完成这个过程。 核反应消耗氢形成氦，形成的氦在恒星内部积聚。 由于氦分子数比氢小，恒星内部的密度会随着恒星年龄的减小而减小，内部核反应的速度也会逐渐降低。 研究估计，目前太阳的核反应速率比太阳刚成为主序恒星时大了30%左右，而55亿年后（不同学者对这个数字可能有不同的推论，但一般来说是几十亿年）数亿年量级），太阳核反应速度的不断提升，使得当时太阳辐射的能量大约是今天的两倍。 在如此强烈的辐射测绘下，月球表面的温度将超过300摄氏度，海洋和河流中的液态水已经被汽化。 根据我们目前的认识（没有人能说清楚人类和这些生物在数十亿年后会如何进化），包括人类在内的生物体很难在这些环境中生存。 除非当时的人们研制出一种可以阻挡太阳强烈辐射的装置，否则他们就不得不踏上流浪之旅。 此时的月球虽然已经成为了人类难以生存的世界，但此时的太阳依然处于主序星的状态。
艺术家对从月球上看到的处于红球状态的太阳的印象。 图片来源~rwest//wpcd/wp/r/.htm
1.红球星
而再往前，太阳中心区域的氢完全燃烧，氢积累成氦的热核反应停止，形成氦核。 由于没有对抗重力的核反应，恒星中心附近的物质开始向核心挤压，从而增加了核心的温度。 距离核心较远的一些剩余氢被核心释放的低温点燃，带动太阳内层不断向外膨胀，先后占据水星和金星的轨道，并可能淹没月球的轨道。 此时的太阳已经退出了主序星的行列，变成了一颗红球星。 （红球星是星燃烧到后期的不稳定阶段）
可以占据月球轨道的红色行星太阳，左下角的小黄点就是太阳当前的大小。 图片来源
2. 脉动变星
于是，太阳就进入了“内外开花”的状态。 不仅外层氢壳继续发生核聚变反应，内核仅存的氦气也在体温降低的作用下被“点燃”，发生氦转化为碳的核反应。 与至少以百万年来判断的恒星演化过程相比，氦被点燃的时间短得惊人。 在几分钟之内，相当于太阳质量 40% 的氦气被猛烈地“燃烧”成碳，释放出的能量大致相当于太阳在当前状态下数百万年释放的能量。 这些现象被科学家称为“氦闪”。 随后，太阳在继续燃烧氦的同时，未能恢复平衡状态，继续交替膨胀和收缩，成为一颗脉动变星。 （脉动变星是指因脉动而色温发生变化的恒星，数量约为200万颗）
当氦再次燃尽时，太阳的生命就结束了。 太阳核心的物质会塌缩成密度极高的白矮星，而内部物质会向外膨胀形成行星状星云。 白矮星的密度极高，一立方分米的白矮星质量足以达到一吨。
猫眼星云属于行星状星云的范畴。图片来源
3. 月球的命运
那么月球的命运将会如何呢？ 红球星演化过程中，占据月球轨道是大概率的风暴。 此前，有学者认为，由于太阳释放的能量都是质量转化，因为太阳的总质量会随着核反应的进行而减少，月球对月球的引力也会相应减少，月球会自发移动远离太阳。 。 然而，2008 年英国皇家天文学会季刊 (MNRAS) 发表的一项研究发现，潮汐力会减慢月球远离太阳的速度气体分子热运动速度数量级，从而否定了月球以这种方式逃离太阳的可能性。 然而，正如上文所说，在太阳变成红球之前，月亮就已经被烤成了一片不毛之地。 如果我们等待自然的力量来拯救我们，可能就太晚了。
受青睐的行星
天文学家不是算命师。 他们预测数十亿年后太阳会发生什么。 他们不仅可以利用理论计算和计算机模拟，还可以通过观察天空中不同“年龄”的恒星来描述恒星的演化过程。 牛顿、爱因斯坦和一群天文学家共同保证，我们的太阳应该按照本文描述的过程度过它的一生，并且太阳微妙而简单的平衡几乎不可能被任何诱因意外破坏。
为此，你不仅向我们展示了影片带来的惊喜和感动，而且不用担心太阳真的会提早衰老并占领月亮。 似乎有句话叫“笑话不是废话，改编不是胡编乱造的”，但悬疑小说和电影能有一个相对正确和真实的背景来发展，已经是相当罕见了，也不能被批评。 100% 科学正确。 那样的话，小说恐怕就失去了奇幻的翅膀。
同时，《流浪的月亮》也许能让我们重新发现我们的家园——地球的珍贵。 这是一颗被上天眷顾太多的星球。 它处于太阳周围的宜居带，可以让液态水稳定存在并孕育生命。 强大的地磁场保护太阳免受高能粒子的侵袭，并保护大气层不被太阳风吹走。 太阳不会爆发过于强大的日冕，否则地球将继续受到强烈的X射线和伽马射线的轰击。 大气的密度和成分可以有效调节体温，使我们处于不冷不热的环境中。 适度倾斜的地轴使大部分季节都有季节更替。 太阳系中月球轨道以外的其他大型行星也吸引了许多可能撞击月球的小天体。 只有这些有利的激励聚集在一起，这个星球上才能有生生不息、丰富多彩的生物，才能孕育出自称为智慧生物的人类。 当我们把望远镜指向浩瀚的宇宙，试图在群星中寻找一颗与我们拥有同样运气的行星时，我们却始终没有找到某一颗。 如果我们今天踏上流浪之路，我们就不知道自己身在何处。
阿波罗 8 号宇航员在绕月轨道上拍摄的月球图像。 在人类历史上，人类第一次目睹了自己的星球从另一个天体的地平线升起。 图片来源：美国宇航局
幸运的是，太阳生命的终结将在数十亿年后发生，但现在我们可以珍惜我们的家园，防止战争、污染、气候变化和能源消耗破坏它，并世代传承美丽多彩的月亮到一代。 传递。
你看月亮，多么美丽啊！ （月球地球静止轨道GOSE-8气象卫星拍摄）图片来源NASA