電影《流浪地球》的劇情其實很簡單，用一句話就能概括，就是太陽提前“死亡”，人類被迫建造大量行星發(fā)動機，把地球推離太陽系，逃亡比鄰星。這是一部典型的重工業(yè)硬科幻電影，對中國電影而言具有里程碑式的意義，有人已經(jīng)把2019年稱為中國科幻電影的元年。電影（也是同名小說）中最核心的創(chuàng)意是太陽的演化速度突然加快了，短期內(nèi)就會發(fā)生災(zāi)難性的氦閃，太陽將膨脹成為可怕的紅巨星，把地球吞沒。面對滅頂之災(zāi)，人類當(dāng)然不能坐以待斃，于是利用重元素核聚變技術(shù)建造了一萬座超巨型行星發(fā)動機，相當(dāng)于把地球改裝成了一艘宇宙飛船，向著比鄰星方向踏上漫漫征途，故事由此展開。影片中涉及了大量的天體物理學(xué)知識，而且都巧妙地把它們?nèi)谌氲搅藙∏橹?/span>，所以現(xiàn)在我們就來聊聊《流浪地球》中的天體物理學(xué)。
太陽的中心，溫度有1500萬度，壓強達(dá)3000億個大氣壓，密度為160克／立方厘米；太陽的化學(xué)組成為氫71%、氦27%，還有2%是碳、氮等重元素。
太陽為什么會發(fā)生“氦閃”
電影中說太陽在短時間內(nèi)就會發(fā)生氦閃，摧毀地球。但是以人類目前掌握的恒星演化理論來看，這顯然是不可能的。太陽是一顆穩(wěn)定的主序星（以氫聚變?yōu)槟茉床⒛荛L期穩(wěn)定發(fā)光的恒星），年齡大約有46億年，正處于中年，要演化成紅巨星而發(fā)生氦閃，那是50億年以后的事。這是一段長得讓人無法想象的時間，因為人類的文明史都是用千年為單位的，即使是進化史也只是用百萬年為單位而已。
所謂“氦閃”是質(zhì)量在0.5～2.3 M⊙（M⊙表示太陽質(zhì)量）之間的小質(zhì)量恒星演化到晚期而發(fā)生的不穩(wěn)定氦燃燒現(xiàn)象。下面我們就來詳細(xì)介紹一下太陽是怎樣由主序星演化成紅巨星并發(fā)生氦閃的。
我們知道太陽的能源來自核心區(qū)的氫—氦核聚變反應(yīng)，即每4個氫原子核（質(zhì)子）聚變?yōu)?/span>1個氦原子核，這一過程會有質(zhì)量虧損，損失的質(zhì)量以相對論中質(zhì)能方程（E=MC2）的形式轉(zhuǎn)化為能量釋放出來。這一過程的轉(zhuǎn)換效率約為0.007，看似不高，但卻足夠保障太陽的億萬年輝煌。太陽內(nèi)部每秒大約有6億噸氫參與聚變反應(yīng)，損失質(zhì)量426萬噸，釋放出的能量相當(dāng)于每秒鐘爆炸 920 億個百萬噸級的氫彈。核聚變反應(yīng)是人類目前的知識體系中唯一能夠合理解釋恒星能源機制的理論。
盡管太陽非常巨大，但其內(nèi)部的氫元素也是有限的，總有耗光的一天。大約50億年后，太陽的能源危機終于出現(xiàn)了——核心區(qū)的氫幾乎都已經(jīng)聚變成了氦，在中心形成一個氦核。氦核不產(chǎn)生能量（氦聚變所需的溫度比氫聚變高得多），于是收縮，密度快速增大，使氦核進入了電子簡并狀態(tài)。
什么是電子簡并態(tài)呢？我們知道，高溫會導(dǎo)致原子電離（形成等離子體，火焰就是等離子體），但高密度同樣會使物質(zhì)電離。一團物質(zhì)被壓縮得越來越緊密，這意味著原子間的間距越來越小，如果密度繼續(xù)增大，超過500克／立方厘米時，原子也會被“壓碎”——核外電子彼此會侵入到另一個原子的內(nèi)部空間，這是不允許的，于是電子就只好脫離出來，成為自由粒子，原子被解體了，這叫壓致電離。電離后電子和原子核所占據(jù)的空間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原先中性原子占據(jù)的空間。如果把原子核放大到蘋果大小，那原子的直徑就有3公里左右（原子核半徑只有原子半徑的萬分之一到十萬分之一），可見原子內(nèi)部其實是空空如也的，空間浪費很嚴(yán)重，一旦電離，就相當(dāng)于把這部分空間全都騰了出來，所以等離子體的密度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通物質(zhì)。此時原子核仿佛是浸泡在一片電子海洋中。
這種高密度的等離子體和常見的高溫（相對低密度）等離子體有什么不同呢？高溫等離子體中的粒子動能是和溫度成正比的，也就是內(nèi)部壓力的大小取決于溫度，而高密度等離子體（盡管也有較高的溫度）卻不是這樣，此時物質(zhì)受泡利不相容原理影響（該原理是泡利于1925年提出的）。泡利不相容原理規(guī)定，一個量子能級的電子軌道上最多只能容納兩個電子。對于普通物質(zhì)而言，由于空間足夠大，所以有大量的低能級軌道供電子使用，此時電子的平均動能就幾乎只受溫度影響。當(dāng)物質(zhì)被壓縮得越來越緊密時，由于內(nèi)部空間大大縮小，低能級軌道的數(shù)量也大大減少，并且這些軌道能夠容納的電子數(shù)量也是有限的，于是在泡利不相容原理的作用下，電子只能進入高能級軌道，一旦這一層軌道也被占滿，就進入更高能級的軌道。軌道能級越高，電子的動能就越大，直到電子的運動速度接近光速（密度為1000公斤／立方厘米時，電子的速度就接近光速）。這就好比觀眾去劇場看演出，最前面的座位總是最容易被占滿（相當(dāng)于低能級軌道），然后觀眾才會選擇第二排、第三排……的座位。這種現(xiàn)象就叫做電子氣體的簡并（所謂“簡并”，可以理解成“簡單”地“并”在一起）。
好了，現(xiàn)在太陽中心形成了一個高密度的電子簡并態(tài)的氦核球。氦核在收縮過程中釋放出來的巨大引力勢能加熱了外部的氫包層，于是點燃了氫聚變反應(yīng)，形成氫燃燒殼層。所以這一階段的太陽結(jié)構(gòu)是中心有一個不產(chǎn)生能源的氦球（半徑約2萬公里），氦球外部則包裹著一個進行熱核反應(yīng)的氫燃燒殼層（厚度約2000公里），提供著恒星的全部能量來源，再往外就是厚達(dá)上億公里但密度很低的氫包層。隨著氫燃燒殼層的啟動，恒星外包層迅速膨脹，終于成為一顆紅巨星。這是太陽的光輝頂點，光度達(dá)到最大，但對地球而言卻是滅頂之災(zāi)。此時的太陽就像一個紅色巨獸，體積將膨脹到可以把地球軌道也吞沒，表面溫度下降到約3000K，光度則增大到現(xiàn)在的2000倍以上。太陽在紅巨星階段可以停留約10億年。
隨著時間推移，氫燃燒產(chǎn)生的氦不斷注入中心核球。當(dāng)氦核的質(zhì)量達(dá)到0.45 M⊙時，將發(fā)生進一步收縮，簡并程度提高，最終進入相對論性簡并狀態(tài)（即簡并電子的運動速度接近光速），于是溫度必然飆升，達(dá)到1億度時氦聚變反應(yīng)終于被點燃了（產(chǎn)物是碳和氧）。這種簡并狀態(tài)下的氦燃燒就是“氦閃”，是一種非穩(wěn)定核燃燒。
具體過程是這樣：當(dāng)氦燃燒在簡并氦核內(nèi)部某處被點燃后，釋放出大量能量。此時電子已經(jīng)接近光速，所以無法吸收多少能量，但質(zhì)量較大的離子卻遠(yuǎn)低于光速，可以吸收大量能量。于是離子被迅速加熱，最終使離子壓強超過簡并電子壓強，簡并態(tài)被解除。爾后反應(yīng)區(qū)迅速擴大，不過由于越靠近中心簡并程度越高，解除簡并狀態(tài)所需的能量越多，所以反應(yīng)區(qū)先向外部的氦核物質(zhì)擴展，然后再向中心發(fā)展，直至整個氦核的簡并態(tài)都被解除。于是在高溫離子氣體的強大壓強作用下，氦核迅速膨脹，導(dǎo)致溫度快速降低，最后熱核反應(yīng)熄滅，氦閃過程也就結(jié)束了。整個過程大約持續(xù)幾分鐘到幾十分鐘時間。這個時間雖然短暫，但已經(jīng)使恒星有機會通過膨脹做功的形式進行調(diào)整，不至于出現(xiàn)毀滅性的后果。但是過度膨脹的恒星肯定不能持久，引力很快就會站出來進行必要的調(diào)整。氦核首先收縮升溫，接著外層物質(zhì)也開始回落。
之后的演化很像歷史重演，氦核質(zhì)量增加，再次發(fā)生氦閃。不過第二次氦閃的威力已經(jīng)沒有那么大，因為此時氦核的簡并程度已經(jīng)降低，最外層的氦物質(zhì)已經(jīng)不是簡并態(tài)。之后氦核還會發(fā)生好幾次氦閃，但是威力越來越小，當(dāng)最后一次氦閃發(fā)生時，就只有最中心部分是簡并態(tài)，氦閃的能量基本上只夠用于解除物質(zhì)的電子簡并狀態(tài)，這樣氦核就實現(xiàn)了物質(zhì)正?；?/span>（普通等離子體），平穩(wěn)的氦燃燒終于建立起來了。這個過程大約持續(xù)200萬年。
超級計算機模擬的類太陽恒星的氦閃過程
在《流浪地球》小說中，氦閃發(fā)生在太陽演化成紅巨星之前，這是錯誤的。通過以上介紹我們知道，太陽其實是先演化成紅巨星，然后才發(fā)生氦閃，在氦閃之前，太陽很可能就已經(jīng)把地球吞沒了。而且太陽發(fā)生氦閃時的情景也不可能像小說中描寫的那么壯觀，因為氦閃釋放出來的能量主要用于解除氦核的簡并態(tài)，并使氦核膨脹，對太陽外層物質(zhì)的影響實際上很小。所以從外部來觀察，太陽的變化并不大。
什么是“洛希極限”
對于大部分普通觀眾而言，《流浪地球》電影中最難懂的天體物理學(xué)概念有兩個，一個是“氦閃”，另一個就是“洛希極限”了。電影中地球為什么會被木星的引力捕獲呢？地球要想擺脫太陽的引力飛出太陽系，光靠行星發(fā)動機的推力是不夠的，還需借助木星的引力加速才行，這叫“引力彈弓”效應(yīng)。實際上人類發(fā)射的各類深空探測器常常利用“引力彈弓”效應(yīng)來加速，例如美國1997年發(fā)射的“卡西尼”號土星探測器，就曾先后兩次飛掠過金星，利用金星的重力場來給探測器加速，之后又途經(jīng)地球、木星，最終飛抵土星。這一過程探測器就像被行星彈射出去一樣，因此稱為“引力彈弓”。當(dāng)然，要實現(xiàn)這一點必須精確設(shè)計探測器軌道，尤其是入軌角度和離軌角度，而且距離行星不能太近也不能太遠(yuǎn)。如果距離太近了探測器就可能被行星引力捕獲，成為行星的衛(wèi)星甚至相撞，無法逃脫；如果距離太遠(yuǎn)了“引力彈弓”效應(yīng)太弱，難以對探測器起到加速作用。如果我們把探測器換成地球，原理是一樣的。不過在電影中地球接近木星時出現(xiàn)了嚴(yán)重問題，由于受木星強大引力和磁場的影響，地球上的行星發(fā)動機大面積停機，結(jié)果導(dǎo)致地球距離木星太近，一度逼近木星的“洛希極限”，險象環(huán)生。這一虛構(gòu)情節(jié)成了影片的高潮部分。
木星是太陽系最大的行星，體積是地球的1316倍，質(zhì)量是地球的300多倍。木星表面著名的“大紅斑”實際上是一個巨大的氣體漩渦，長約2萬多公里，寬約1.1萬公里，可以并排放進3個地球。
那么什么是“洛希極限”呢？要理解這個概念首先要了解什么是“潮汐力”。我們知道兩個天體之間的引力作用是受距離影響的，距離越近引力強度越大，這就意味著天體之間的相對面要比背對面受到的引力作用大一些，以地月系統(tǒng)為例，地球?qū)υ虑蛘娴囊ψ饔镁鸵葘υ虑虮趁娴母?/span>，這種引力差就是潮汐力。當(dāng)然，月球?qū)Φ厍蛲瑯佑谐毕ψ饔?/span>。地球上海水的潮汐現(xiàn)象就是由于月球和太陽的潮汐力引起的。不光液體，固體同樣受潮汐力影響，地球的固體地殼其實也有潮汐漲落現(xiàn)象，稱為固體潮，只不過這種漲落是很小的，平均只有幾十厘米。潮汐力的作用是企圖把物體撕裂。當(dāng)兩顆天體互相靠近時，潮汐力隨著距離的縮短越來越大，直到其中一顆天體解體為止（也有不被摧毀的情況，最終兩顆天體發(fā)生并合）。通過計算發(fā)現(xiàn)，一個質(zhì)量為3百萬M⊙的巨型黑洞，當(dāng)一顆普通恒星距離它2億公里時就會被潮汐力摧毀；如果是質(zhì)量為10 M⊙的黑洞，當(dāng)航天員距離它400公里時也會被潮汐力撕碎。這個潮汐力的摧毀距離就是“洛希極限”（法國數(shù)學(xué)家洛希在19世紀(jì)中葉首先提出）。很容易想象，一個物體尺寸越大，密度越低，就越容易被潮汐力摧毀，所以洛希極限又分為剛體洛希極限和流體洛希極限。
現(xiàn)實中地球當(dāng)然不可能進入木星的洛希極限范圍，但在漫長的演化歷史中木星已經(jīng)摧毀了無數(shù)曾經(jīng)靠近它的小天體，事實上木星環(huán)就是由這些小天體的殘骸組成的。1992年，一顆被命名為“舒梅克－李維九號”的彗星就進入了木星的洛希極限范圍內(nèi)，結(jié)果被強大的潮汐力撕裂成21塊碎片。這些碎片大部分直徑在2～35公里之間，最終于1994年7月17日相續(xù)撞向木星，撞擊速度達(dá)60公里／秒，釋放的能量相當(dāng)于20億顆廣島原子彈。
慧木大碰撞
