【科幻世界·公益阅读】惊奇档案：挑选太阳 寻找群星中的“优质地段”

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挑选太阳

寻找群星中的“优质地段”

文/索何夫

本文刊登于《科幻世界》2019年4月刊

这个春节，电影《流浪地球》火了。

当然，正如刘慈欣的诸多作品长期热议不断一样，《流浪地球》的火爆，不仅体现在电影票房层面，也体现在它所引爆的激烈争议上，各种各样的争论和观点交锋甚至比电影本身还热闹。其中几乎可以称之为“经典”的古老问题“科幻姓科还是姓文”，毫不意外地吸引了极为密集的“火力”。坚持“科幻应该首先尊重科学”的一方，列出了《流浪地球》电影中的大量技术错误和常识问题（并不都是小说原著中存在的问题），其中最先被列出的一条，就是整个故事得以发生的基础——太阳氦闪。

没错，严格来说，这个故事其实根本不应该发生。

在现代天体物理学的理论体系中，氦闪作为一种极为激烈而短促的氦-碳聚变过程，确实会发生在那些拥有0.5-2.0个太阳质量的恒星的“生命进程”中（换言之，太阳也是其中的一员）。但是，与《流浪地球》原著中描写的不同，在主序阶段（也就是一颗恒星的光度和温度处于那条横跨赫-罗图的左上角到右下角的“主星序”时），氦闪是不可能发生的——原因无他，在这一阶段，恒星的主要核聚变活动是由四个氢离子（质子）结合成一个氦离子的氢聚变过程，而氦的聚变要等到恒星脱离主序阶段、开始膨胀为红巨星的时候了：随着主序星核心部分的氢燃料反应殆尽，恒星的压力-引力平衡会出现短暂的失衡，大量外部物质被引力拽向星体内侧并在这一过程中产生高温，最终达到氦反应点火的临界点（当然，质量太小的红矮星无法做到这一点，会直接演化为白矮星），在此之后，大量氦原子核会在短暂时间内聚变成碳同位素，并产生强大的能量，推动恒星迅速膨胀。不过，考虑到太阳核心中的氢燃料数量，四平八稳的氢聚变还会持续个几十亿年，因此人类文明基本没有任何希望在“有生之年”见到这一幕。

哦，对了，还有一种氦闪现象（通常又称为Ia型超新星）会发生于更加苛刻的条件下：如果在一个双星或者多星系统中，同时存在一颗已经结束了氦-碳聚变反应、却又没有足够的质量与温度开始碳-氧聚变反应，只能靠着“吃老本”继续发光发热的白矮星，以及一颗质量够大、与前者的距离也足够近的巨星或者超巨星的话，前者的引力将会逐步将后者稀薄的外围物质抽向自己，最终形成一个由炽热氢、氦等离子体形成的吸积盘。而在从“同伴”那里“盗取”了足够多的物质之后，白矮星同样也会短暂地爆发氦闪。不过，考虑到太阳压根儿就没有伴星（顺带一提，传说中被个别天文学家认为可能存在的“复仇女神”星，其存在就算是事实，也顶多是一颗质量小得无法启动氢聚变的褐矮星，完全不需要考虑），这种可能性自然更不会发生在太阳系内。

正在从红巨星伴星夺取气体，即将发生氦闪的白矮星

总之，无论你是否赞同批评者们的出发点，事实就是，作为一颗位于赫-罗图中主星序中下侧的G型主序星（主星序内的恒星可以进一步根据光谱的区别，分为O,A,B,F,G,K,M七个主要光谱型和数十个亚型），我们的太阳，可谓恒星之中的“优质资产”——主序阶段寿命足够长，光度合适，整体上相对稳定，可以让位于它的宜居带内的行星得到充足的时间慢慢进化出复杂的生命形式。而作为“流浪地球”事件发生前提的“太阳在主序阶段中期突然爆发氦闪”，在理论上并不存在出现的可能性，担心它自然也是毫无意义的。

不过，正如齐奥尔科夫斯基所说的那样，虽然地球和太阳系是人类的摇篮，但人类显然不可能永远待在摇篮里。如果我们的文明足够幸运，能够延续够长的时间，那么迟早免不了要和别的恒星打交道（当然，躲在飞船里“脚不沾地”到处晃悠也不失为选择之一，但毕竟，恒星可是这个宇宙中最普遍且易得的天然能源）——而在那时，选择一处足够安全的“优质地段”，将是优先确保的重要事项。

或者更准确地说，在你打算畅游“星辰大海”之前，从候选目标列表中删除掉那些可能让你送命的危险“星辰”，实在是必须完成的基本操作。

中子星

最先应该被删除的，自然是那些处于演化初期和末期的恒星——倒不如说，只有一心找死或者彻底发了疯的家伙，才会专门往这种地方钻。在演化初期，仍在以引力导致星体物质收缩产生的重力势能、而非核聚变为主要能源的恒星，往往过于冰冷，其表面温度通常只有数百开尔文，甚至很难发出可见光辐射（但红外波段的辐射倒是稍微明显一些），完全没法提供必要的能源。而演化末期的大质量恒星，更是对我们这类脆弱的碳基生命严重不友好：原质量未超过奥本海默极限的大型恒星，会变成以高重力、强辐射为主要特征的中子星，除非你是科幻小说《龙蛋》里的中子星文明的后人，否则光是凑近它们就有危险；而更大质量的恒星残骸，则是众所周知的黑洞，这玩意儿不但对我们丝毫没用，而且比中子星更加可怕——毕竟，大概不会有人愿意到黑洞的视界之内去一探究竟吧？

黑洞的存在对于任何生命而言都是个不可忽视的隐患

相较之下，演化末期的小质量恒星残骸倒是“温和”一些——白矮星通常不会有那么强大的引力，或者致命的辐射，但这些依靠电子简并力勉强支撑残躯的垂死恒星，早已失去核聚变能源，在可预见的未来只能逐步“坐吃山空”。而且，除了因为质量太小而无法点燃氦聚变的迷你主序星，大多数白矮星都曾经历过红巨星阶段，换言之，它们周遭的行星系统（如果有的话）早已在红巨星的碰撞生成过程中就已经遭受过一轮烘烤，之后又在红巨星耗尽能源崩解的过程中遭受了行星状星云产生的冲击，存在宜居星球的可能性基本可以等同于零。

除此之外，各种各样的巨星也不是什么合适的选择。与很多人的直觉相反，一颗恒星的质量越大，可供燃烧的核燃料越多，它通过核反应耗尽自身、寿终正寝的速度反而越快！那些质量是太阳四五十倍，散发着白热光芒的蓝/黄超巨星往往会在数百万到一千万年内就结束其主序阶段，随后开始以极快的速度接二连三地完成一系列不断升级的重元素聚变，并最终作为一颗闪亮的超新星照亮银河的某个角落。且不说超新星爆发本身的威力，光是每一轮新的核反应的启动，都意味着更高的恒星能量输出，以及更加不宜居的环境——玩过《星际争霸2》的玩家们，大概都会对“自由之翼”战役中的“超级新星”这一关印象深刻。但事实上，游戏中的那颗恒星当时并未发生超新星爆发（至少在玩家忙着完成任务时是这样），而仅仅是在寿终正寝之前点燃了最后的硅-铁聚变反应。然而仅仅是这样，致命的辐射能量增幅已经足以将绕转它的行星向阳面烧成一片焦土。而那些形成时质量更大的恒星，由于其聚变能量输出过于狂暴，甚至会在整个主序阶段都处于不稳定状态，像一个喝得烂醉的酒鬼一样不断“呕吐”出巨量的物质，直到压力与引力达成稳态。要住在这种“疯子”的隔壁，着实不易。更何况，考虑到这些大块头那短促的寿命，很可能直到恒星寿终正寝之时，周遭的行星还没从宇宙尘埃和原行星/行星胚阶段走出来。要像游戏里那样出现一座鸟语花香、拥有大气，甚至还有本地生物存在的类地行星，着实是件不现实的事。

在炽热的巨星附近，原本宜居的行星也很可能沦为炼狱

不过，小一点儿的恒星也不一定就完全宜居。在浩渺的银河之中，庞大的巨星（比如经常出现在网络图片上，让人们感慨于地球和太阳系的渺小的参宿二与大角星）其实并非“多数派”（这也和它们那过分短促的寿命有关）。相反，那些个头不大，质量和光度都很有限的“侏儒”——也就是各式各样的红矮星们，才是最为常见的。这些质量只有太阳几分之一的小型恒星，往往温度较低、聚变反应微弱而缓慢，虽说肚里的“货”着实有限，但凭着“细水长流”的诀窍，在主序阶段稳定地燃烧个百把亿年却也不是什么难事。有了充足的时间，这些恒星周围要形成行星系也不是什么问题，至少看上去，比起那些不稳定的危险大亲戚，它们似乎要“和蔼”得多。

可惜的是，红矮星虽说没有巨星那样的严重不稳定问题，但自身的劣势也并不算少：由于能量输出不足，这些恒星周遭的宜居带往往相当狭窄，而且紧靠着恒星。这就意味着，它们附近存在宜居行星的可能性较低，而且就算真有这样的行星存在，也很可能因为距恒星过近而被引力牢牢束缚，陷入只有一面朝向恒星的潮汐锁定状态。在这种状态下，纵使该行星的大气层可以在一定程度上传导热量，但陷入“一半是火焰，一半是寒冰”的糟糕状态，也在所难免。虽说倒也不是过不了日子（尤其是在晨昏线附近的“温带”地区），但显然居住条件不会特别怡人。

总之，在排除了各种绝对不能选，或者至少不那么合适的候选目标之后，我们不难发现，对于人类而言，只有那些与太阳足够相似的恒星，才是最合适的。

然而，就算真的找到了这种不大不小，不算太冷和不算太热，而且足够稳定的主序星，也不意味着待在它附近就可以高枕无忧。在刘慈欣更加著名、也相对更合理一些的作品《三体》中，造成极端条件的源头虽然仍是恒星，但相比于不可能在主序阶段发生的“太阳氦闪”，《三体》中的情况却要相对真实得多：作为三合星系统的半人马座α是典型的多星系统，三颗恒星的存在导致整个恒星系统内的引力状况极度复杂、难以预测。存在于恒星系内的行星不是动辄被撕裂、抛飞，就是非常倒霉地直接栽进某颗恒星内部！

这是巨型主序星的耀斑爆发，

内部状态不稳定的恒星就是货真价实的“不定时炸弹”

不过话说回来，如果非要较真的话，《三体》的故事其实同样也是几乎不可能发生的：轨道复杂的多星系统在形成之初就会严重破坏聚集在原始恒星周遭的行星“原材料”，将这些宇宙尘和尚未发育完成的行星“胚胎”撕裂或者抛飞。在现实中，因为半人马座α的距离最近就将它选为移民目的地的想法，其实是个天大的错误：千辛万苦移民或者逃难到那里的人们很可能发现，三星系统中存在的只有一大片类似于太阳系小行星带的细碎小行星，或者至多能找到几颗婚神星、灶神星那种级别的行星“半成品”。

考虑到银河中的双星和多星系统很可能包揽了近一半、甚至更多的恒星总数，因此，相当多自身条件“过关”的恒星，其实仍然是不宜居的。然而情况也并非绝对：从理论上讲，如果一个稳定的双星系统相互之间的距离足够近，绕转足够平稳，对于位于它们的相互绕转轨道外侧的行星而言，这个双星系统事实上也可以大致视为一颗以系统的质心为中心的单独恒星，而在合适的位置上，一段宜居带仍然是可能存在的——《星球大战》中屡屡作为重要地点出现的天行者家族故乡塔图因行星，很可能就是这种情况。毕竟，如果仔细观察电影中的细节的话，我们就不难发现，塔图因的两个太阳（看上去很像是光谱型G或者M星的主序星）在天空中靠得相当之近，无论是升起还是落下，几乎都隔着完全一样的距离。

双星系统的“日出”：

像这样“成群结伴”的恒星很可能占了银河中恒星数量的一半以上

不过，就算是稳定且大小合适，“保质期”仍然足够长的单星系统，也不等于“安全区”的代名词：如果周围存在着大量大型天体的话，就算并未形成双星或者多星系统，恒星周围的行星仍然可能被强大引力摄动，然后在某一天“不辞而别”，甚至直接与恒星来个“密切接触”！在这方面，银河系（以及一切与银河系类似的旋涡\棒旋星系）的核心部位都不是什么生命诞生的好去处。虽说弗诺·文奇笔下虚构的那个“零意识深渊”倒是未必存在，但是在密度极大的璀璨群星之间，任何意外之事都会变得不那么意外。更别说在这类星系的最中央，往往还存在着体量大得超乎想象的“最终Boss”——在星系产生之际共同诞生的巨型黑洞。与那些直接由寿终正寝的大质量恒星演化而来的、质量因此相对有限的恒星级黑洞不同，这些极端庞大的天体直接产生于星系初创之际的原始星际物质，或者“朝生暮死”的第一代恒星死亡后互相吞并的黑洞，因此质量和引力都大到骇人听闻的地步。纵然银河系在目前所观察到的宇宙中不过是个小地方，但银心大黑洞仍然有数百万个太阳质量的级别，在这种大玩意儿的附近待着，显然不是什么安稳的事儿。除此之外，众多恒星密度大（尤其是可能演化为超新星的大质量恒星数量多）的星团也一样会充满麻烦。换言之，就某种角度来看，太阳系周围那片相对显得有些“空旷”的太空，没准儿对我们而言反倒是件好事。

总而言之，虽然在浩渺的银河之中，要想找到一处合适的桃源乡并不像看上去那么容易，但可以肯定的是，只要条件允许，人们就一定会去寻找——正如我们的祖先抱着同样的想法一次又一次地走出东非的群山与莽原一样。毕竟，自从“人猿相揖别”的时代开始，前进就已然成为了我们的本能。正是为了满足这种本能，我们才设计了工具，组成了社会，想象与总结出了各种各样的法律、规范、习惯与传统。纵然在某些时刻，人们会因为主观或者客观原因的影响而暂时停下脚步，甚至试图望向幻想中那个烟雾缭绕的过去，但只要我们还能迈开步伐，前进的本能最终都会推动着我们继续朝着前方奋力行进。

【责任编辑：刘维佳】

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