精華 太陽越來越熱，怎么樣防止地球被烤熟
作為一個(gè)物種，我們對(duì)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)?。總有一天，太陽將進(jìn)入一個(gè)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(shí)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(zhǎng)時(shí)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(shí)，太陽比今天暗淡約20％。甚至恐龍也知道一個(gè)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(gè)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(gè)特定時(shí)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(gè)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?duì)流循環(huán)不會(huì)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(tái)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(gè)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(gè)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(huì)威脅到爆炸——或者至少，膨脹——太陽。對(duì)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(gè)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(gè)不可抗拒的壓力時(shí)會(huì)發(fā)生什么？?jī)?yōu)雅的平衡——和一個(gè)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(huì)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(huì)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(shí)，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(shí)，它會(huì)擴(kuò)張和變亮以應(yīng)對(duì)。很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)這種變亮何時(shí)會(huì)對(duì)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(shí)間生命才會(huì)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(gè)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(rùn)滑地殼活動(dòng)，我們的板塊將停滯不前。沒有地殼活動(dòng)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(gè)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(zhǎng)，它的亮度增加將使適居區(qū)向太陽系的更遠(yuǎn)處移動(dòng)。
假如我們希望地球在未來的時(shí)代生存下來，我們必須移動(dòng)它。
移動(dòng)整個(gè)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?cè)谔煳臅r(shí)間尺度上的平衡是站在我們這邊的。我們不必今天就移動(dòng)地球；我們有數(shù)億年的時(shí)間來計(jì)劃我們的轉(zhuǎn)移。為了達(dá)到這個(gè)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(gè)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(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)為它提供了巨大的動(dòng)能。它肯定不會(huì)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(gè)滾動(dòng)平臺(tái)上，一輛火車向你駛來。你無法離開軌道(因?yàn)槟菢舆@個(gè)比喻就不好玩了)，所以你生存的唯一機(jī)會(huì)就是至少要比火車快。當(dāng)然，假如你讓火車撞到你，你就會(huì)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(gè)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(dòng)，只是一點(diǎn)點(diǎn)。通過簡(jiǎn)單的動(dòng)量守恒，你會(huì)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(dòng)平臺(tái)。火車幾乎不會(huì)注意到——它畢竟是一輛火車——但你肯定會(huì)。假如你能快速地做足夠多的前后移動(dòng)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)自己平穩(wěn)地沿著軌道移動(dòng)，避免災(zāi)難。
回到我們與木星和地球的情況，這個(gè)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(gè)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(zhǎng)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(dòng)，以換取巨大行星運(yùn)動(dòng)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(dòng)力。
一次通過的差異幾乎無法測(cè)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(gè)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(gè)地球質(zhì)量。
我們需要將其提高一些。
其中一種方案是簡(jiǎn)單地通過激光、粒子束、強(qiáng)磁場(chǎng)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(duì)保持地球適居性是不利的，所以下一個(gè)挑戰(zhàn)是將這些粒子導(dǎo)向一個(gè)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(gè)環(huán)，作為太陽的帶。該電流環(huán)將產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形(或者對(duì)于更古老的物理學(xué)家來說更合適的，一個(gè)環(huán)形)磁場(chǎng)，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(chǎng)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(chǎng)停止然后逆轉(zhuǎn)它們的下降?？拷拇艌?chǎng)會(huì)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(dòng)整個(gè)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(dòng)定向到一個(gè)方向，利用它們作為太陽動(dòng)力火箭，推動(dòng)我們整個(gè)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(huì)注意到，因?yàn)槲覀兊男袆?dòng)將抵消適居區(qū)向外移動(dòng)的自然趨勢(shì)。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(gè)吸管過程需要多長(zhǎng)時(shí)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(gè)更小的恒星，更小的恒星將過著幸福的漫長(zhǎng)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(huì)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(huì)成為一個(gè)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(huì)著手計(jì)劃一個(gè)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(huì)像地球這樣適合生命。也許這將是一個(gè)藝術(shù)項(xiàng)目，一個(gè)在星際尺度上創(chuàng)造美和奇跡的機(jī)會(huì)，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(shí)，這個(gè)故事的最后一章包含了這個(gè)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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