太陽(yáng)的昨天今天和明天——太陽(yáng)的年齡

2023.04.08 云南

今天的太陽(yáng)，大約有45.7億歲了。這比我們?nèi)祟惖哪挲g長(zhǎng)很多，原因之一就是太陽(yáng)非常的巨大。這個(gè)年齡是由電腦模型以及太陽(yáng)系最古老的物質(zhì)年齡測(cè)得的。太陽(yáng)如同人類一樣也有生老，它現(xiàn)在的年齡，就相當(dāng)于人類的“中年期”，在大約50億年后開始“衰老”。

我們今天所看到的太陽(yáng)，已經(jīng)“走過”了自己一半的“路程”，相當(dāng)于正直的壯年時(shí)期。這前半段“路程”有40多億年的時(shí)間，對(duì)于人類來(lái)說(shuō)這是一個(gè)相當(dāng)漫長(zhǎng)的歲月，但對(duì)于太陽(yáng)來(lái)說(shuō)，只是它的一半而已。在這40多億年里，太陽(yáng)非?！鞍察o”，并不“調(diào)皮”，穩(wěn)定的燃燒自己，把光和熱“無(wú)私”的奉獻(xiàn)給地球。太陽(yáng)這種穩(wěn)定的燃燒，還將持續(xù)50多億年,直至其核心的氫聚變停止，屆時(shí)太陽(yáng)內(nèi)部和外部都將發(fā)生巨大的變化。

比較當(dāng)前作為主序星的太陽(yáng)和將來(lái)成為紅巨星的太陽(yáng)。圖：MQQ

太陽(yáng)的形成年齡

在大約46億年前一團(tuán)巨大的分子云坍縮形成了我們的原始太陽(yáng)，該分子云主要由氫元素和氦元素組成的，其他恒星的誕生或許也是這個(gè)原因。太陽(yáng)的這個(gè)年齡是由恒星演化（Stellar evolution）和太初核合成（核宇宙編年學(xué)）的計(jì)算機(jī)模型估算的。使用放射性定年法我們可以得到太陽(yáng)系內(nèi)最古老物質(zhì)的年齡，其年齡約為45.67億年，這與太陽(yáng)的年齡非常吻合。對(duì)原始隕石的研究，我們得到了短壽命同位素穩(wěn)定子核出現(xiàn)過的痕跡，例如鐵-60，不過這些同位素只在短壽命恒星的爆炸中形成。

這一結(jié)果表明一個(gè)或多個(gè)超新星爆發(fā)的位置必定發(fā)生在原始太陽(yáng)系附近。來(lái)自附近超新星爆發(fā)的激波會(huì)通過壓縮氫分子云中的物質(zhì)，從而導(dǎo)致某些區(qū)域在自身引力作用下產(chǎn)生坍縮（引力坍縮），從而觸發(fā)太陽(yáng)的形成。當(dāng)氫分子云的一部分坍塌時(shí)，由于角動(dòng)量守恒，這部分也開始旋轉(zhuǎn)起來(lái)，并隨著壓力的增加而升溫。大部分的質(zhì)量都集中在了中心形成原始太陽(yáng)，而其余部分變成了一個(gè)可以形成原始行星或其他太陽(yáng)系天體的圓盤。由于分子云核心內(nèi)部的引力和壓力會(huì)從周圍的圓盤中吸積更多的物質(zhì)，所以核心部分最終會(huì)引發(fā)核聚變，從而產(chǎn)生大量的熱量向外輻射以抵抗引力。

HD 162826和HD 186302是假設(shè)中的太陽(yáng)恒星“兄弟”，據(jù)認(rèn)為它們是在類似于我們太陽(yáng)系這樣的分子云中形成的。

太陽(yáng)目前位于主序帶

太陽(yáng)正處于其主序階段中的一半“路程”上，在此階段內(nèi)，太陽(yáng)的核聚變反應(yīng)類型為，將其核心部位的氫聚變成氦。在太陽(yáng)的核心內(nèi)，每秒鐘有超過四百萬(wàn)噸的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為了能量，并產(chǎn)生了中微子和太陽(yáng)輻射。以這個(gè)速度，太陽(yáng)到目前為止已經(jīng)將100倍于地球質(zhì)量的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為了能量，約占到太陽(yáng)總質(zhì)量的0.03%。太陽(yáng)作為一個(gè)主序星，它將需要花費(fèi)大約100億年的時(shí)間來(lái)耗盡自己。太陽(yáng)在它的主序帶中，隨著時(shí)間的推移其溫度會(huì)逐漸的上升，因?yàn)楹诵闹械暮ぴ颖热诤系臍湓诱紦?jù)的體積更小。

因此，根據(jù)平方反比定律，其核心正在慢慢收縮，這會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)的外層更靠近核心并承受更大的引力（壓力）。這股強(qiáng)大的力量增加了對(duì)核心的壓力，從而又導(dǎo)致核聚變發(fā)生的速率逐漸增加，最終的結(jié)果是抵抗了這種壓力。隨著核心逐漸變得更致密，這個(gè)過程將會(huì)被加速。據(jù)估計(jì)，在過去的45億年中，太陽(yáng)的亮度增加了30％左右?，F(xiàn)在，我們太陽(yáng)的亮度正以每1億年增加約1％的速度上升。

藝術(shù)家描述的類太陽(yáng)恒星的生命周期。從左下角的主序星開始，然后膨脹經(jīng)過次巨星和巨星的階段，直到在右上角將外層拋離，形成行星狀星云。圖作者 ESO/S. Steinh?fel

當(dāng)太陽(yáng)核心的氫被耗盡后

太陽(yáng)沒有足夠的質(zhì)量可以演化到超新星狀態(tài)。太陽(yáng)將在大約50億年后退出主序帶序列，并開始演化成一個(gè)紅巨星。作為一個(gè)紅巨星，太陽(yáng)的體積將變得非常的巨大，以至于可以將水星、金星，甚至地球吞噬。

在變成紅巨星之前，太陽(yáng)的亮度將會(huì)增加近一倍，那個(gè)時(shí)候地球接收到的太陽(yáng)光熱和今天金星接收到的一樣多。太陽(yáng)在54億年內(nèi)，一旦其核心的氫被耗盡，它的體積將會(huì)膨脹到一個(gè)亞巨型的狀態(tài)，并在大約50億年的時(shí)間里緩慢地加速膨脹。然后，它將在大約50億年內(nèi)迅速膨脹，直到它膨脹到比今天大200倍并且發(fā)光量比今天增加2000倍為止。這個(gè)時(shí)候太陽(yáng)便開始了紅巨星的分支階段，在這個(gè)階段里，太陽(yáng)將花費(fèi)大約10億年的時(shí)間來(lái)燃燒，并消耗掉大約三分之一的自身質(zhì)量。