互动科普

来源：美国宇航局，约翰霍普金斯大学应用物理实验室和西南研究所

天文学家经常谈论太阳的未来以及这一未来将如何导致地球的终结。具体地说：像所有靠氢聚变发光发热的恒星一样，随着时间的流逝，太阳会逐渐变得更加明亮，因为其核心将越来越多的氢转化成氦（从而改变其自身的组成并因此改变了中心温度）。但它最终也会走到中心氢耗尽、核心收缩进而导致恒星的其余部分发生巨变的时刻。在红巨星分支（或简称RGB星）阶段，太阳的外壳将开始膨胀——如果没有损失太多物质的话，其半径将在不到1亿年的时间内增长100倍以上。

这时候我们就该和水星、金星说再见了（即使它们的轨道会由于恒星质量损失而有所膨胀，也无法逃脱被吞噬的命运）。但最终，太阳会再次坍缩。这是因为，当氦核开始聚变时，恒星中能量的平衡和流动会再一次发生改变。随后，正如核心氢耗尽时一样，核心中的氦也将耗尽——导致外层外壳发生新一轮膨胀。这一次太阳会变得更大。作为渐进巨星分支（或简称AGB星）阶段的恒星，其半径可能会增大到目前太阳尺寸的近一千倍。那时地球和火星极有可能会被吞没。

除却在这些阶段发生的一些其他事情。能量仍然通过核心周围壳层区域的核聚变产生，而太阳实际上将损失相当多的质量——从字面上讲，增强的太阳风会吹走大量物质。这可能会稍微减小它作为红巨星分支（RGB）和渐进巨星分支（AGB）星的物理直径。这种微小的改变可能足以拯救地球和火星。因为当太阳失去质量时，行星的轨道也将会逐渐膨胀以保持角动量守恒。

对于我们行星系统来说，另一个关键因素是：恒星的表面积越大，它的亮度就越大——即它以电磁辐射形式释放出的总能量越大。当太阳进入它的红巨星分支（RGB）和渐进巨星分支（AGB）阶段时，它的亮度可以增长到现值的上千倍。

我们可以计算出这对行星系统中其他物质的标称温度可能带来什么影响。归根结底，它们的温度大致会依照太阳光度的四次方根升高。这意味着，根据恒星的输出，它们的温度会上升2倍到7或8倍不等。第一轮的加热将在红巨星分支（RGB）恒星阶段进行。然后恒星会再次变冷，直到渐进巨星分支（AGB）阶段开始，之后恒星的温度会到达它的第二个，也是最后一个峰值。

有趣的是，我们可以看看这一过程对冰质的、化学物质丰富的天体，如木卫二、土卫六和古老的冥王星可能带来的影响。问题是：哪颗星将是最后一个？在我们太阳系最熟悉的轨道天体中，哪一个是最后一个可能的宜居天体？

如今，冰卫星木卫二的赤道表面温度约为110开尔文(-163摄氏度)。这意味着，当太阳达到AGB阶段的末期甚至早期的RGB阶段时，它的温度可能会达到770开尔文(497摄氏度)以上。中间阶段自然存在，那时气候可能比较温和。但随着恒星时钟滴答作响，木卫二将会变得非常热。

更远的卫星是土卫六泰坦，那是一个有很多冷冻水、地表富含碳氢化合物的地方——如果有一个地方可能真的会因为升温而变得有趣，那就是泰坦。如果现在土卫六的表面大约是94开尔文（-179摄氏度），那么它肯定会变暖到某个温和的状态。但像木卫二一样，太阳达到最大亮度时，我们预计土卫六的温度将高达680开尔文（407摄氏度）。那就不太舒适了。

冥王星的情况略有不同。在今天的太阳系中，冥王星被大量冻结物质包裹着：固态水、固态一氧化碳、固态氮、固态甲烷，这些物质都处于43开尔文(零下230摄氏度) 的冷冻状态。但当太阳到达光度峰值(在RGB和AGB阶段)时，冥王星可能会升温到可接受的宜居温度：300开尔文(27摄氏度)。在到达这一峰值的过程中，它可能需要在水的冰点和沸点之间徘徊数百万年的时间 (假设大气很厚)。

当然，当一个冰冻的物体被加热时，它会升华很多的物质到真空中。水，一氧化碳等都会源源不断地流走。然而，即使像冥王星那样的低重力表面加速度(大约是地球的1/12)也能聚集一些大气层。一旦有了稀薄的大气层，就容易聚集更厚的大气层，物质也更难逃逸到真空中。换句话说，冥王星可能形成一个比现在更厚的大气层，和比我们想象中温和得多的环境。

然而，所有这些新发现的地位都是转瞬即逝的。冥王星充其量也只有几十万年，或者可能有一百万年到两百万年的时间来享受太阳系最后一个宜居世界的荣耀。在那之后，它也将回到宇宙永恒的寒冷中。

关于作者

Caleb A. Scharf

卡莱布·A·沙夫

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卡莱布·A·沙夫博士是哥伦比亚大学天体生物学主任，他作为享有国际声誉的天体物理研究学家，同时也是大学和公众讲师。英国《卫报》将他的博客《生活，无限》列为“最热门的科学博客”之一，而《种子》杂志的一位编辑则称之为“非凡的、有见识的、新鲜的、深思熟虑的”。Scharf是天文学和天体物理学领域100多篇科学研究论文的作者和合著者。他的研究成果曾发表于《新科学家》、《科学美国人》、《科学新闻》、《宇宙杂志》、《今日物理》和《国家地理》等刊物，和空间网、新闻精等网站。他为本科生和研究生编写的《太阳系外行星和天体生物学》和《天体生物学》获得了2012年美国天文学会的钱布里斯奖。他的文章和评论发表在诸如《科学》、《自然》、《天体物理学杂志》和《皇家天文学会月刊》等著名刊物上。沙夫博士是美国物理学会、博物馆、公共和私人会议(包括美国自然历史博物馆、纽约鲁宾艺术博物馆)等学术会议的定期主讲人。他曾担任美国国家公共电台科学频道的《克鲁维奇》节目以及威廉·沙特纳的《奇怪还是什么?》节目的嘉宾，还曾在国家地理杂志、科学频道、探索频道和《纽约时报》担任编辑和制片人顾问。

原文链接: https://theconversation.com/how-we-solved-a-centuries-old-mystery-by-discovering-a-rare-form-of-star-collision-104609

翻译：王羽

审校：施怿