你能想象一個(gè)沒(méi)有太陽(yáng)的世界是怎樣的嗎？天文學(xué)家的研究表明，如果沒(méi)有太陽(yáng)，一周內(nèi)地球平均地表溫度將降到低于零下17.78攝氏度，一年內(nèi)則會(huì)驟降到零下73.33攝氏度，大多數(shù)植物會(huì)在幾周內(nèi)死亡，接下來(lái)大部分生命體會(huì)因?yàn)殛?yáng)光的消失而煙消云散，一切都將歸于死寂。
現(xiàn)在知道，對(duì)我們而言太陽(yáng)有多重要了吧！然而，不幸的事情發(fā)生了。近日，國(guó)外的科學(xué)家對(duì)太陽(yáng)金屬豐度的研究表明，我們可能將太陽(yáng)壽命高估了10億年，太陽(yáng)有可能比我們以前預(yù)計(jì)的提前10億年走向死亡。
元素豐度掌控太陽(yáng)命門(mén)
據(jù)了解，以前科學(xué)家根據(jù)忽略轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型推出太陽(yáng)的壽命約為100億年，這是由恒星演化程序模擬得到的一個(gè)理論值，而不是一個(gè)真實(shí)值。而且這個(gè)值只是指恒星演化理論上的中心氫燃燒壽命。
“這并不是說(shuō)太陽(yáng)真的只能存在100億年，準(zhǔn)確的說(shuō)法應(yīng)該叫做太陽(yáng)模型的主序壽命。理論上，大約100億年后太陽(yáng)會(huì)變成一顆紅巨星，但它依然存在，而且會(huì)發(fā)出更多的陽(yáng)光。”北京師范大學(xué)天文系楊伍明副教授告訴科技日?qǐng)?bào)記者。
他表示，得到100億年這個(gè)理論值有許多前提條件，需要假定太陽(yáng)的初始元素豐度和太陽(yáng)內(nèi)部的物理過(guò)程。初始元素豐度不同，得到的太陽(yáng)模型壽命就不同。由于不可能真正得到太陽(yáng)的初始元素豐度和確定其內(nèi)部的物理過(guò)程，因此太陽(yáng)甚至其他恒星的壽命是無(wú)法精確估算的。
二十年前，天文學(xué)家對(duì)太陽(yáng)直接和間接的測(cè)量結(jié)果都表明，太陽(yáng)的金屬豐度在1.8%左右；然而，最新的太陽(yáng)光譜測(cè)量表明，太陽(yáng)的金屬豐度僅有1.3%，遠(yuǎn)低于之前的測(cè)量結(jié)果，相應(yīng)的，太陽(yáng)的壽命也會(huì)減少10億年。
所謂的太陽(yáng)金屬豐度是除氫氦以外的太陽(yáng)元素豐度的總稱(chēng)，此金屬不同于我們通常所說(shuō)的金屬，由于太陽(yáng)中氫元素和氦元素的含量占了絕大多數(shù)，天文學(xué)家把太陽(yáng)中的所有更重的元素都稱(chēng)為“金屬”。這些金屬的含量雖微，但卻影響著太陽(yáng)的命運(yùn)。
由于金屬元素的電子容易吸收光子，從而阻礙輻射，太陽(yáng)或恒星的金屬豐度越高，不透明度也就越高。而太陽(yáng)或恒星的不透明度與其壽命、溫度、亮度等性質(zhì)密切相關(guān)。瑞典斯德哥爾摩大學(xué)研究太陽(yáng)金屬豐度的物理學(xué)家薩尼·瓦尼奧奇表示，極少量的金屬就足以徹底改變恒星的行為，金屬豐度基本上能告訴你這顆恒星將如何死去。
大氣模型影響太陽(yáng)壽命估算
最新研究所采用的太陽(yáng)光譜測(cè)量通常是指天文學(xué)家通過(guò)太陽(yáng)光譜分析得出氫、碳、氮、氧、鐵等所有能測(cè)的元素的譜線，然后和太陽(yáng)大氣模型給出的譜線進(jìn)行比較，當(dāng)兩者一致時(shí)，大氣模型中所采用的氫、碳、氮、氧、鐵等元素的豐度就認(rèn)為是太陽(yáng)光球?qū)拥脑刎S度。“但是，這種方法無(wú)法獲得氦、氖、氬等惰性氣體的相對(duì)豐度。太陽(yáng)表面的氦元素豐度只能由日震學(xué)推斷給出。”楊伍明說(shuō)。
最新的測(cè)量結(jié)果出來(lái)以后，不少人都在疑問(wèn)：為什么前后兩次測(cè)量的太陽(yáng)金屬豐度會(huì)有這么大的差異？
對(duì)此，楊伍明解釋道：舊的太陽(yáng)金屬豐度是由局部熱動(dòng)平衡的一維大氣模型結(jié)合觀測(cè)譜線推導(dǎo)給出的；而新的太陽(yáng)金屬豐度則是由非局部熱動(dòng)平衡的三維大氣模型結(jié)合觀測(cè)譜線推導(dǎo)給出的。舊的一維大氣模型被認(rèn)為忽略了許多物理因素，有科學(xué)家認(rèn)為新的大氣模型更接近真實(shí)情況，正是大氣模型的改善以及原子、分子躍遷幾率數(shù)據(jù)更新等造成新舊金屬元素豐度的不同。
在恒星演化中，如果其他條件不變，金屬豐度減小會(huì)導(dǎo)致中心核反應(yīng)產(chǎn)生的能量更容易向外輻射。而能量容易向外輻射，則會(huì)導(dǎo)致恒星更容易收縮，使得恒星中心的密度、溫度等增大。更重要的是，密度、溫度的升高會(huì)使氫燃燒速率加快，從而導(dǎo)致中心氫燃燒的總時(shí)間縮短，也就是太陽(yáng)模型的主序壽命縮短。但如果其他條件改變，比如氫元素豐度增加或者考慮太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)對(duì)其演化的影響，那么前面說(shuō)的壽命減少就不存在。
那么，未來(lái)該如何驗(yàn)證哪種方法得出的太陽(yáng)壽命更正確？
在楊伍明看來(lái)，這個(gè)問(wèn)題的答案在于哪個(gè)金屬豐度測(cè)量值更準(zhǔn)確，以及日震學(xué)反演結(jié)果是否可靠。只有給出正確的太陽(yáng)元素豐度，才能確定太陽(yáng)的壽命有多長(zhǎng)。如果我們能給出和日震學(xué)反演結(jié)果一致的新金屬豐度太陽(yáng)模型，所有相關(guān)問(wèn)題將迎刃而解。
壽命幾何事關(guān)恒星演化理論
對(duì)于太陽(yáng)金屬元素豐度的爭(zhēng)論，南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授陳鵬飛表示，他傾向認(rèn)為最開(kāi)始推出的太陽(yáng)壽命是正確的，太陽(yáng)的壽命并不會(huì)減少10億年。“基于幾個(gè)理由我更傾向于認(rèn)為原來(lái)的模型是對(duì)的：第一，人造衛(wèi)星對(duì)太陽(yáng)風(fēng)中金屬豐度的測(cè)量結(jié)果是支持1.8%的；第二，太陽(yáng)表面的光球?qū)用芏茸銐蚋?，以往采用局部熱平衡模型的近似是合理的；第三，新模型考慮了太陽(yáng)大氣的非均勻性確實(shí)是一個(gè)進(jìn)步，可是也忽略了其他一些因素，比如磁場(chǎng)的影響；第四，退一步講，即使新模型的結(jié)果是對(duì)的，但由于金屬豐度的分布可能是不均勻的，太陽(yáng)表面的金屬豐度也許和內(nèi)部存在差異。”陳鵬飛說(shuō)道。
與此同時(shí)，楊伍明也更贊同最開(kāi)始推出的太陽(yáng)壽命是正確的。他表示，太陽(yáng)的壽命并沒(méi)有被高估10億年，認(rèn)為太陽(yáng)壽命被高估是因?yàn)橹豢紤]了金屬豐度減小，當(dāng)考慮到氫元素豐度增加和轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)太陽(yáng)演化的影響時(shí)，太陽(yáng)的壽命就不會(huì)減少。
然而，澳大利亞國(guó)立大學(xué)的天體物理學(xué)家馬丁·阿斯普朗德就堅(jiān)持認(rèn)為，1.3%的太陽(yáng)金屬豐度是正確的。他表示，天文學(xué)的方方面面都會(huì)因此受到影響，對(duì)恒星演化的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)，幾乎奠定了一切的基礎(chǔ)。
那么，如果天文學(xué)家確實(shí)將太陽(yáng)壽命高估了10億年，究竟需要對(duì)哪些理論進(jìn)行修正？
在楊伍明看來(lái)，如果太陽(yáng)的生命真的被高估10億年，這說(shuō)明天文學(xué)家之前建立的恒星演化理論不夠完備，他們就需要重新審視之前建立的恒星演化理論和模型。例如標(biāo)準(zhǔn)的恒星演化理論都忽略了恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，而事實(shí)上所有的恒星都在轉(zhuǎn)動(dòng)。我們到了需要認(rèn)真考慮轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)恒星演化影響的時(shí)代了。天文學(xué)對(duì)星團(tuán)、星系等的研究在一定程度上都依賴(lài)于恒星演化理論，如果恒星演化理論錯(cuò)了，之前對(duì)星團(tuán)、銀河系等的認(rèn)識(shí)也需要調(diào)整。
現(xiàn)在知道，對(duì)我們而言太陽(yáng)有多重要了吧！然而，不幸的事情發(fā)生了。近日，國(guó)外的科學(xué)家對(duì)太陽(yáng)金屬豐度的研究表明，我們可能將太陽(yáng)壽命高估了10億年，太陽(yáng)有可能比我們以前預(yù)計(jì)的提前10億年走向死亡。
元素豐度掌控太陽(yáng)命門(mén)
據(jù)了解，以前科學(xué)家根據(jù)忽略轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型推出太陽(yáng)的壽命約為100億年，這是由恒星演化程序模擬得到的一個(gè)理論值，而不是一個(gè)真實(shí)值。而且這個(gè)值只是指恒星演化理論上的中心氫燃燒壽命。
“這并不是說(shuō)太陽(yáng)真的只能存在100億年，準(zhǔn)確的說(shuō)法應(yīng)該叫做太陽(yáng)模型的主序壽命。理論上，大約100億年后太陽(yáng)會(huì)變成一顆紅巨星，但它依然存在，而且會(huì)發(fā)出更多的陽(yáng)光。”北京師范大學(xué)天文系楊伍明副教授告訴科技日?qǐng)?bào)記者。
他表示，得到100億年這個(gè)理論值有許多前提條件，需要假定太陽(yáng)的初始元素豐度和太陽(yáng)內(nèi)部的物理過(guò)程。初始元素豐度不同，得到的太陽(yáng)模型壽命就不同。由于不可能真正得到太陽(yáng)的初始元素豐度和確定其內(nèi)部的物理過(guò)程，因此太陽(yáng)甚至其他恒星的壽命是無(wú)法精確估算的。
二十年前，天文學(xué)家對(duì)太陽(yáng)直接和間接的測(cè)量結(jié)果都表明，太陽(yáng)的金屬豐度在1.8%左右；然而，最新的太陽(yáng)光譜測(cè)量表明，太陽(yáng)的金屬豐度僅有1.3%，遠(yuǎn)低于之前的測(cè)量結(jié)果，相應(yīng)的，太陽(yáng)的壽命也會(huì)減少10億年。
所謂的太陽(yáng)金屬豐度是除氫氦以外的太陽(yáng)元素豐度的總稱(chēng)，此金屬不同于我們通常所說(shuō)的金屬，由于太陽(yáng)中氫元素和氦元素的含量占了絕大多數(shù)，天文學(xué)家把太陽(yáng)中的所有更重的元素都稱(chēng)為“金屬”。這些金屬的含量雖微，但卻影響著太陽(yáng)的命運(yùn)。
由于金屬元素的電子容易吸收光子，從而阻礙輻射，太陽(yáng)或恒星的金屬豐度越高，不透明度也就越高。而太陽(yáng)或恒星的不透明度與其壽命、溫度、亮度等性質(zhì)密切相關(guān)。瑞典斯德哥爾摩大學(xué)研究太陽(yáng)金屬豐度的物理學(xué)家薩尼·瓦尼奧奇表示，極少量的金屬就足以徹底改變恒星的行為，金屬豐度基本上能告訴你這顆恒星將如何死去。
大氣模型影響太陽(yáng)壽命估算
最新研究所采用的太陽(yáng)光譜測(cè)量通常是指天文學(xué)家通過(guò)太陽(yáng)光譜分析得出氫、碳、氮、氧、鐵等所有能測(cè)的元素的譜線，然后和太陽(yáng)大氣模型給出的譜線進(jìn)行比較，當(dāng)兩者一致時(shí)，大氣模型中所采用的氫、碳、氮、氧、鐵等元素的豐度就認(rèn)為是太陽(yáng)光球?qū)拥脑刎S度。“但是，這種方法無(wú)法獲得氦、氖、氬等惰性氣體的相對(duì)豐度。太陽(yáng)表面的氦元素豐度只能由日震學(xué)推斷給出。”楊伍明說(shuō)。
最新的測(cè)量結(jié)果出來(lái)以后，不少人都在疑問(wèn)：為什么前后兩次測(cè)量的太陽(yáng)金屬豐度會(huì)有這么大的差異？
對(duì)此，楊伍明解釋道：舊的太陽(yáng)金屬豐度是由局部熱動(dòng)平衡的一維大氣模型結(jié)合觀測(cè)譜線推導(dǎo)給出的；而新的太陽(yáng)金屬豐度則是由非局部熱動(dòng)平衡的三維大氣模型結(jié)合觀測(cè)譜線推導(dǎo)給出的。舊的一維大氣模型被認(rèn)為忽略了許多物理因素，有科學(xué)家認(rèn)為新的大氣模型更接近真實(shí)情況，正是大氣模型的改善以及原子、分子躍遷幾率數(shù)據(jù)更新等造成新舊金屬元素豐度的不同。
在恒星演化中，如果其他條件不變，金屬豐度減小會(huì)導(dǎo)致中心核反應(yīng)產(chǎn)生的能量更容易向外輻射。而能量容易向外輻射，則會(huì)導(dǎo)致恒星更容易收縮，使得恒星中心的密度、溫度等增大。更重要的是，密度、溫度的升高會(huì)使氫燃燒速率加快，從而導(dǎo)致中心氫燃燒的總時(shí)間縮短，也就是太陽(yáng)模型的主序壽命縮短。但如果其他條件改變，比如氫元素豐度增加或者考慮太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)對(duì)其演化的影響，那么前面說(shuō)的壽命減少就不存在。
那么，未來(lái)該如何驗(yàn)證哪種方法得出的太陽(yáng)壽命更正確？
在楊伍明看來(lái)，這個(gè)問(wèn)題的答案在于哪個(gè)金屬豐度測(cè)量值更準(zhǔn)確，以及日震學(xué)反演結(jié)果是否可靠。只有給出正確的太陽(yáng)元素豐度，才能確定太陽(yáng)的壽命有多長(zhǎng)。如果我們能給出和日震學(xué)反演結(jié)果一致的新金屬豐度太陽(yáng)模型，所有相關(guān)問(wèn)題將迎刃而解。
壽命幾何事關(guān)恒星演化理論
對(duì)于太陽(yáng)金屬元素豐度的爭(zhēng)論，南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授陳鵬飛表示，他傾向認(rèn)為最開(kāi)始推出的太陽(yáng)壽命是正確的，太陽(yáng)的壽命并不會(huì)減少10億年。“基于幾個(gè)理由我更傾向于認(rèn)為原來(lái)的模型是對(duì)的：第一，人造衛(wèi)星對(duì)太陽(yáng)風(fēng)中金屬豐度的測(cè)量結(jié)果是支持1.8%的；第二，太陽(yáng)表面的光球?qū)用芏茸銐蚋?，以往采用局部熱平衡模型的近似是合理的；第三，新模型考慮了太陽(yáng)大氣的非均勻性確實(shí)是一個(gè)進(jìn)步，可是也忽略了其他一些因素，比如磁場(chǎng)的影響；第四，退一步講，即使新模型的結(jié)果是對(duì)的，但由于金屬豐度的分布可能是不均勻的，太陽(yáng)表面的金屬豐度也許和內(nèi)部存在差異。”陳鵬飛說(shuō)道。
與此同時(shí)，楊伍明也更贊同最開(kāi)始推出的太陽(yáng)壽命是正確的。他表示，太陽(yáng)的壽命并沒(méi)有被高估10億年，認(rèn)為太陽(yáng)壽命被高估是因?yàn)橹豢紤]了金屬豐度減小，當(dāng)考慮到氫元素豐度增加和轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)太陽(yáng)演化的影響時(shí)，太陽(yáng)的壽命就不會(huì)減少。
然而，澳大利亞國(guó)立大學(xué)的天體物理學(xué)家馬丁·阿斯普朗德就堅(jiān)持認(rèn)為，1.3%的太陽(yáng)金屬豐度是正確的。他表示，天文學(xué)的方方面面都會(huì)因此受到影響，對(duì)恒星演化的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)，幾乎奠定了一切的基礎(chǔ)。
那么，如果天文學(xué)家確實(shí)將太陽(yáng)壽命高估了10億年，究竟需要對(duì)哪些理論進(jìn)行修正？
在楊伍明看來(lái)，如果太陽(yáng)的生命真的被高估10億年，這說(shuō)明天文學(xué)家之前建立的恒星演化理論不夠完備，他們就需要重新審視之前建立的恒星演化理論和模型。例如標(biāo)準(zhǔn)的恒星演化理論都忽略了恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，而事實(shí)上所有的恒星都在轉(zhuǎn)動(dòng)。我們到了需要認(rèn)真考慮轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)恒星演化影響的時(shí)代了。天文學(xué)對(duì)星團(tuán)、星系等的研究在一定程度上都依賴(lài)于恒星演化理論，如果恒星演化理論錯(cuò)了，之前對(duì)星團(tuán)、銀河系等的認(rèn)識(shí)也需要調(diào)整。
