精華 太陽越來越熱，怎么樣防止地球被烤熟
作為一個物種，我們對我們的家園地球相當(dāng)喜愛(盡管我們肆意的碳排放除外)。但不幸的事實(shí)是，地球注定要?dú)纭？傆幸惶欤枌⑦M(jìn)入一個階段，使地球表面上的生命變得不可能，最終將這顆行星降為一塊悲傷、孤獨(dú)的鐵鎳塊。
好消息是，假如我們真的全力以赴——不用擔(dān)心，我們將有數(shù)億年的時間來計(jì)劃——我們可以保持我們的家園宜居，甚至在我們的太陽變得失控之后的很長時間內(nèi)。
驚魂的一天
太陽正慢慢但無情地變得更明亮、更熱、更大。數(shù)十億年前，當(dāng)分子集合體首次開始共舞并稱呼自己為生命時，太陽比今天暗淡約20％。甚至恐龍也知道一個更弱、更小的恒星。雖然太陽只完成了其主要?dú)淙紵A段的一半，在其開始死亡掙扎之前還有40多億年，但使得我們這個小世界上的生命成為可能的溫度和亮度的奇特組合將在幾億年內(nèi)被侵蝕。就天文學(xué)而言，這是一瞬間。
太陽通過其存在的基本物理學(xué)種下了自己滅亡的種子。在這個特定時刻，我們的恒星正在以每秒大約6億噸的速度消耗氫，將這些原子在達(dá)到攝氏2700萬度的核烈焰中相撞。這600百萬噸中的400萬噸轉(zhuǎn)化為能量——足以照亮整個太陽系。
然而，這種核聚變反應(yīng)并不完全干凈。核燃燒產(chǎn)生的副產(chǎn)品是氦——核燃燒產(chǎn)生的核廢物。氦無處可去，因?yàn)樯顚訉α餮h(huán)不會觸及到氦形成的核心。因此，氦就坐在那里，惰性的、無生命的、無用的——堵塞著這臺機(jī)器。
在當(dāng)前的年齡，太陽的核心溫度和壓力不足以使氦發(fā)生聚變。因此，氦妨礙了其他可以聚變的氫的核心總質(zhì)量增加。幸運(yùn)的是，太陽很容易彌補(bǔ)這一點(diǎn)，這種補(bǔ)償來自于一個稱為靜力平衡的物理學(xué)內(nèi)容。
太陽處于不斷平衡的狀態(tài)，生活在一個核刀刃的邊緣上。一邊是核聚變過程釋放的能量，假如不加控制，可能會威脅到爆炸——或者至少，膨脹——太陽。對抗這一點(diǎn)的是恒星本身的巨大重力，以1,027噸的氫和氦所能集中的所有力量向內(nèi)壓迫。假如這種力量無人檢查，太陽自身的引力將把我們的恒星壓縮成一個比中型城市還小的黑洞。
那么，當(dāng)一股不可阻擋的力量遇到一個不可抗拒的壓力時會發(fā)生什么？優(yōu)雅的平衡——和一個可以活上數(shù)十億年的星球。假如由于某種原因，核烈焰突然升溫，那將會使恒星的其他部分升溫，并使其外層膨脹，減輕了重力壓力，并減緩了核反應(yīng)的速度。假如太陽突然收縮，更多的物質(zhì)將迫使自己進(jìn)入核心，在那里它將參與熱烈的核舞蹈，所釋放的能量將共同使恒星重新膨脹到正常大小。
但是，氦灰渣的存在，即核垃圾，通過置換否則會熔化的氫破壞了這種平衡。太陽不得不向內(nèi)拉扯——重力是不妥協(xié)且冷漠的。當(dāng)它這樣做時，它迫使核心的核反應(yīng)增加猛烈，提高其溫度，這反過來又迫使太陽表面膨脹和變亮。
慢慢地、慢慢地、慢慢地，當(dāng)氦繼續(xù)在太陽(或任何其他質(zhì)量相似的恒星)的核心中積聚時，它會擴(kuò)張和變亮以應(yīng)對。很難準(zhǔn)確預(yù)測這種變亮何時會對我們的行星造成災(zāi)難——這取決于輻射、大氣和海洋之間復(fù)雜的相互作用。但一般估計(jì)我們還有大約5億年的時間生命才會變得幾乎不可能。
變暖的太陽將提高地球的表面溫度。隨著溫度升高，海洋將蒸發(fā)。由于水蒸氣是一種優(yōu)秀的溫室氣體，大氣中水蒸氣的增加將導(dǎo)致更高的表面溫度。更高的溫度將迫使海洋蒸發(fā)更多，引發(fā)一個快速循環(huán)，很快將地球豐富的地表水都漂浮在我們的大氣中。
沒有水來潤滑地殼活動，我們的板塊將停滯不前。沒有地殼活動來從大氣中吸收碳，我們的空氣將變得濃濁。在一億年內(nèi)，我們將變成金星的孿生體，金星在數(shù)十億年前經(jīng)歷了類似的命運(yùn)——兩個在它們自己的恒星父母手中死去的世界。
地球調(diào)整
“適居帶”是圍繞恒星的區(qū)域，其中的溫度可以——至少原則上可以——支持行星表面的液態(tài)水存在。接近恒星，溫度太高，除非發(fā)生任何奇特的大氣扭曲，否則水將被迫成為水蒸氣形式。在范圍之外，溫度太低了。
然而，隨著太陽的年齡增長，它的亮度增加將使適居區(qū)向太陽系的更遠(yuǎn)處移動。
假如我們希望地球在未來的時代生存下來，我們必須移動它。
移動整個行星并不是一件容易的事，你可以想象。但幸運(yùn)的是，這一次，我們在天文時間尺度上的平衡是站在我們這邊的。我們不必今天就移動地球；我們有數(shù)億年的時間來計(jì)劃我們的轉(zhuǎn)移。為了達(dá)到這個目的，我們可以利用一直讓行星圍繞太陽軌道運(yùn)行的同一堅(jiān)定力量：重力。
我們的第一個任務(wù)是找到一種能源。提高地球軌道將需要巨大的能量，物理學(xué)在這里既清潔又殘酷：能源必須來自某處。幸運(yùn)的是，我們可以利用木星。因?yàn)樗鹊厍虼?18倍，所以它在天上的簡單運(yùn)動為它提供了巨大的動能。它肯定不會介意我們借用一些。
從木星到地球的能量傳遞將需要一些軌道花招。為了幫助可視化我們將要做的事情，想象一下站在一條鐵軌上的一個滾動平臺上，一輛火車向你駛來。你無法離開軌道(因?yàn)槟菢舆@個比喻就不好玩了)，所以你生存的唯一機(jī)會就是至少要比火車快。當(dāng)然，假如你讓火車撞到你，你就會與它的速度相匹配，但可能不是你希望的方式。
相反，你伸手從口袋里拿出一顆可靠的彈力球。讓我們假設(shè)(再次，為了讓這個比喻起作用)，這是一顆完美且堅(jiān)不可摧的彈力球。你把彈力球投向迎面而來的火車。它彈開了。你抓住它并開始向前滾動，只是一點(diǎn)點(diǎn)。通過簡單的動量守恒，你會發(fā)現(xiàn)自己能夠從火車那里偷取一些能量，給自己和你的滾動平臺。火車幾乎不會注意到——它畢竟是一輛火車——但你肯定會。假如你能快速地做足夠多的前后移動，你會發(fā)現(xiàn)自己平穩(wěn)地沿著軌道移動，避免災(zāi)難。
回到我們與木星和地球的情況，這個比喻之所以有效是因?yàn)槲覀儺?dāng)然希望避免木星撞擊我們的行星。但它在于星際彈力球并不是一個選擇。所以，我們必須求助于小行星。我們可以將它們送上環(huán)繞木星的長軌道，利用它們與木星的引力相互作用，加速小行星的運(yùn)動，以換取巨大行星運(yùn)動的輕微減速。然后我們可以將小行星返回地球，以相反方向環(huán)繞地球，減速并為我們提供推動力。
一次通過的差異幾乎無法測量，更不用說注意到了。這并不是說隨機(jī)漂浮的太空巖石可以帶來多少動能。但我們只需要將其設(shè)置為重復(fù)，數(shù)億年來一次次循環(huán)，輕輕推動地球以逃避日益激烈的太陽。假如我們的后代能夠做到這一點(diǎn)，它將使我們的星球保持在適居區(qū)的安全范圍內(nèi)。
恒星調(diào)整
假如重新排列行星不是你的菜，但你仍然有能力完成大型工程項(xiàng)目，我有另一個解決方案供你選擇。
太陽的主要問題在于氦是供我們的恒星提供動力的核聚變過程的自然副產(chǎn)品。氫聚變的速率由太陽的整體質(zhì)量確定；較大的恒星燃燒得更快，較小的恒星燃燒得更慢。因此，假如我們想限制氦產(chǎn)生的數(shù)量，我們需要減慢聚變反應(yīng)的速度。最直接的方案是降低太陽的整體質(zhì)量。
值得慶幸的是，太陽已經(jīng)在為我們做這件事，只是速度不夠快。太陽表面不斷發(fā)射著一個永無止境的微小帶電粒子流，形成我們所稱的太陽風(fēng)。以原始人類尺度來衡量，太陽通過太陽風(fēng)失去的質(zhì)量令人難以置信，大約每秒1-2百萬噸。所有這些憤怒加起來每1.5億年就相當(dāng)于一個地球質(zhì)量。
我們需要將其提高一些。
其中一種方案是簡單地通過激光、粒子束、強(qiáng)磁場或我們的后代選擇的任何機(jī)制使太陽表面升溫。加熱表面將增加太陽風(fēng)產(chǎn)生量，從而增加太陽質(zhì)量流失的速率。但是，高能粒子從太陽噴射出去通常對保持地球適居性是不利的，所以下一個挑戰(zhàn)是將這些粒子導(dǎo)向一個安全的地方。
一種方案是在太陽赤道軌道上創(chuàng)建一系列粒子加速器站。它們將不斷地交換帶電粒子，形成一個環(huán)，作為太陽的帶。該電流環(huán)將產(chǎn)生一個環(huán)形(或者對于更古老的物理學(xué)家來說更合適的，一個環(huán)形)磁場，將太陽風(fēng)導(dǎo)向極點(diǎn)流出，沿著太陽自轉(zhuǎn)的軸線安全地遠(yuǎn)離任何行星。
該環(huán)形磁場還可以用于擠壓恒星，這種方案被稱為“喘氣技術(shù)”。首先關(guān)閉站點(diǎn)，讓它們向太陽內(nèi)部落下。然后將它們打開，使磁場停止然后逆轉(zhuǎn)它們的下降。靠近的磁場會擠壓在太陽的赤道上，迫使粒子從極點(diǎn)噴射出來。
假如我們的后代真的很勤勞，他們可以捕獲逃逸的太陽風(fēng)并將其用于其他目的，比如用于驅(qū)動整個企業(yè)的聚變反應(yīng)器系統(tǒng)。假如他們真的很有創(chuàng)造力，他們可以將太陽風(fēng)流動定向到一個方向，利用它們作為太陽動力火箭，推動我們整個太陽系到銀河系內(nèi)的新位置，甚至離開銀河系。
當(dāng)然，“奪星術(shù)”技術(shù)使太陽變得不那么明亮；隨著質(zhì)量的減少，聚變反應(yīng)以更安靜的速度運(yùn)行，這降低了我們的恒星的強(qiáng)度和大小。這將適度向內(nèi)轉(zhuǎn)移適居區(qū)。一開始我們不會注意到，因?yàn)槲覀兊男袆訉⒌窒m居區(qū)向外移動的自然趨勢。但最終，在太陽失去10到20％以上的質(zhì)量后(數(shù)學(xué)上的計(jì)算有些不精確，因?yàn)檫@取決于這個吸管過程需要多長時間)，我們將被迫將地球遷移到內(nèi)部以保持最佳狀態(tài)。
但我們將留下一個更小的恒星，更小的恒星將過著幸福的漫長生活。最小的紅矮星，其質(zhì)量幾乎不到太陽質(zhì)量的十分之一，可以燃燒數(shù)萬億年。但它們也傾向于脾氣暴躁。由于它們較小的質(zhì)量，它們更容易發(fā)生憤怒的星暴，這可能導(dǎo)致它們的亮度間歇性加倍。假如我們遙遠(yuǎn)的后代決定走這條修改太陽以增加其壽命的道路，他們肯定會為保護(hù)脆弱的地球而努力。
但無論怎么樣，假如人類要生存數(shù)十億年，我們可能會成為一個行星間，假如不是星際間的物種。在這種情況下，就沒有太多的需要以這種方式拯救地球。也許我們遙遠(yuǎn)的后代仍然會著手計(jì)劃一個計(jì)劃，以維護(hù)賦予他們生命的世界。也許這是出于必要，因?yàn)闆]有其他世界會像地球這樣適合生命。也許這將是一個藝術(shù)項(xiàng)目，一個在星際尺度上創(chuàng)造美和奇跡的機(jī)會，然后在太陽核心內(nèi)的燃燒熄滅，并且它呼出最后一口氣時，這個故事的最后一章包含了這個太陽系數(shù)十億年的生命的結(jié)束。
本文譯自 Ars Technica，由 BALI 編輯發(fā)布。
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