红巨星、红矮星：流浪地球的起因和“新家园”的样子丨Calling太空

编者按："浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索"，为此，中科院之声与中国科学院国家空间科学中心联合开设“Calling太空”科普专栏，为大家讲述有趣的故事，介绍一些与空间科学和航天相关的知识。

电影《流浪地球2》是2023年的春节档影院的热门影片。尽管原作小说的描绘较为简略，但在刘慈欣先生创造的宏大设定背景之下，借助日益发达的电影工业，电影制作团队展现了一个波澜壮波的太空浪漫之旅，鼓舞了热爱科学和科幻的中国人。

今天我们要聊的话题，是“流浪地球”的起因“红巨星”——未来的太阳，以及目的地“红矮星”，人类向往的新家园——比邻星（Proxima Centauri）。

太阳系待得好好的，为什么要“流浪地球”？

有人认为如果人类诞生于其他星球，也会适应极高极低气温、极高极低气压，也可能不呼吸氧气改呼吸二氧化碳、不喝水而是喝硫化氢，甚至可能生命的身体是以碳基以外的氮基、硅基物质构成的。其实并不尽然。宇宙中各个角落的物质，其构成元素是相同的，地球上的氢与太阳上的氢都是相同的元素，其化学特性也是相似的。碳从活性和所能形成的物质多样性来说，都非常合适，才是当今“有机物”的基础。因此，对于太阳这样一颗巨大的发光发热的球，地球离得太近温度太高，离得太阳温度低、光照能量太弱，对生命活动相关的物质过程不利，对水和大气的留存也不合适，都不适合生命，所以科学上有一种“宜居带”（habitable zone）的概念，也就是说适合生命的星球是处在恒星附近“恰到好处”的距离的。地球就处在太阳附近的宜居带里，科学家寻找地球之外的文明时通常也是寻找在该恒星系中所处的位置属于宜居的星球。

示意图：地球处在太阳系的宜居带（来源：百度百科）

1978年，天体物理学家迈克尔·哈特做了一个模拟计算，研究了太阳光度随时间的变化。他认为，40亿年前太阳的光度只有现在的70%，并且它在不断增加。随着太阳光度的增加，宜居带向外推移。哈特将地球所处的狭窄条带随整个太阳系演变而向外推移的范围称为“持续宜居带”。他的计算表明，如果地球与太阳的距离再远1%，在地球演化史上将会出现一个不可逆转的冰期，而如果距离太阳再近5%，地球上也可能处于一个不可逆转的温室状态。后来的许多学者不断修正了他的理论。

根据估计，17.5亿年之后，外移的宜居带可能就不再覆盖地球所处的位置；50亿年之后，太阳变大时其半径就已经吞没了地球的轨道。那么地球在这时离太阳更远一些可以吗？也不行。太阳目前发生的核反应是燃烧氢原子产生氦，随着燃烧区域逐渐往外走，中间变成了氦原子核，当氦原子核的体积增加的时候，内部中心的温度和密度就会增加，这个时候突然就会把氦原子核点燃起来，也就是《流浪地球》中所讲到的“氦闪”，太阳通过这个过程变成了一颗“红巨星”（Red giant star）。这是一种看起来颜色是红的，体积又很巨大的恒星，内部发生的就是氦核反应。红巨星的能量巨大，燃烧更强，太阳大气冲到更远的地方，届时包括冥王星这样的偏远星球都将被太阳吞没，实际上太阳系中会难以生存。

质量仅为太阳1.1倍的大角星（Arcturus），体积却比太阳（Sun）大了很多（来源：百度百科）

这个过程是几十亿年之后才会发生的，我们并不需要担心，但《流浪地球》中的地球人却不得不担心，因为它们的太阳在电影中的几十年到一百年的时间内就会发生氦闪。因此，留给地球人的时间不多了。

人类考量了各种各样的计划，还是决定保留尽量多的生命，因为“没有人的文明毫无意义”。这就发生了“流浪地球”的故事，集合全人类的资源，推动地球飞行千年，去一个新家园——比邻星。选择它的原因很单纯，就是“近”。

“比邻星”在什么位置？

“海内存知己，天涯若比邻。”1915年，天文学家罗伯特·伊尼斯在南非的约翰尼斯堡天文台发现了一颗黯淡的恒星，距离太阳约4.2光年，是目前为止人类发现的除太阳以外距离我们最近的恒星，好比身边的邻居，故而得到“比邻”这样一个称呼。

说是近，也只是相对于其他遥远星球而已。“光年”是天文上的距离单位，是光以每秒约30万千米的光速飞行一年所走过的距离，换算成咱们马路上的单位就是9460730472580公里，高速公路上时速100公里的汽车需要不眠不休跑1千多万年。“流浪地球”飞得很快，预计也要上千年。所以选择这颗恒星作为新家园，主要是因为它的位置离我们近。

比邻星是半人马座（Centaurus）中半人马座α星（Alpha Centauri）这个恒星系的一员——它就是《三体》小说中“三体人”所生活的星系。在南天星座中，半人马座（Centaurus）是一个巨大的明亮星座。半人马座位于长蛇座以南，豺狼座与船帆座之间，我国只有南方几个省份在春天的晚上才能看到。半人马座中有许许多多的星体，其中最亮的就是半人马座α星，中国星名“南门二”。

半人马座α星（Alpha Centauri）在星空中的位置

半人马座α星中有两颗大的恒星（A和B）和一颗小的恒星（C），A和B星围绕各自对方为中心旋转组成了转动周期为80.089年的双星系统，而C星则绕着它们公转，偏心率约为0.5179。这颗C星就是比邻星。

比邻星是一颗什么样的恒星？

科学家鉴定比邻星属于“红矮星”，这是一种什么恒星呢？

在天文学中，恒星分类是将恒星依照光球的温度分门别类。在一定的温度范围内，只有特定的谱线会被吸收，所以检视光谱中被吸收的谱线，就可以确定恒星的温度。1868年，安吉洛·西奇神父将光谱分为4类，并慢慢转化为现在的分类。

矮星（Dwarf star），原指本身光度较弱的星，现专指恒星光谱分类中光度级为V的星，也就是像太阳一样的小主序星。光谱型为O、B、A的矮星称为蓝矮星（如织女一、天狼），光谱型为F、G的矮星称为黄矮星（如太阳），光谱型为K及更晚的矮星称为红矮星（red dwarf），是表面温度低、颜色偏红的矮星，也就是比邻星这样的恒星。不过，“白矮星”是另一种并非矮星的星球。

太阳（Sun）和小质量的恒星以及木星（Jupiter）、地球（Earth）的体积对比，根据说明，图中小质量恒星Low Mass Star指的就是红矮星（图片来源：wiki百科）

我们的银河系（也许所有星系都是如此）中70%的恒星都是红矮星，大多数红矮星的直径及质量均低于太阳的1/3，表面温度也低于3500开。它们比太阳更加暗淡，有时更可低于太阳光度的万分之一。

比邻星是M5V型红矮星，是距离太阳最近的恒星，半径大约是太阳的1/7，质量约为太阳的1/8，表面温度大约3000开，确实是一颗很黯淡的小星星。

作为一颗平凡的红矮星，比邻星的形成估计为约48.5亿年前，比太阳的（46亿年）略早些。但由于其质量很小，热核反应的速率很慢且不稳定，因此天文学家推算它的寿命可达千亿年以上。通过X光波段观测，发现它的外层大气也存在喷发；通过紫外线波长观测，它的自转周期大约为31天。

由于比邻星距离我们已然很远，虽然科学家观测了它的尺寸、亮度、运转轨道等等，推论了很多的特性，但它身边的“细节”，大多数依然是谜。希望未来有一天，不用“流浪地球”，也不用和“三体人”打交道，人类就可以近距离一睹比邻星乃至半人马座α星这个三体星系的真容。

来源：中国科学院国家空间科学中心