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太陽在變成紅巨星之前(逐漸變熱,外圍膨脹到地球軌域),人類有什麽辦法回避,並生存下來?

2016-02-01知識

其實大家不用那樣悲觀。還有幾十億年的時間,足夠我們發展出改造太陽的技術了。

像太陽這樣的主序星非常缺乏環保意識。終其一生,它只能用掉全部燃料的三分之一。在紅巨星階段,它居然把剩下的燃料全都拋向太空,這不但是可恥的浪費行為,還造成了嚴重的環境汙染。是可忍孰不可忍!

在介紹改造太陽的技術以前,我們需要了解太陽毫無節制揮霍浪費的原因是什麽。

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科學部落格 - 太陽活動的變化及影響

太陽的能量來自於核聚變,而核聚變只在內核發生。內核是一個半徑不到太陽四分之一的核心區域。核聚變的能量主要以高能光子(Gamma射線)的形式向外輸出。然而,在內核外的輻射層中,物質非常稠密,光子只能飛行幾微米就會被輻射層中的原子吸收,然後以較低的能量向其他方向隨機發射出去。

歪個題,我們常常把太陽想象成很多氫彈同時爆炸,其實太陽的輸出能量密度並沒有那麽高。即使在聚變最劇烈的太陽中心,單位體積輸出的功率也只是和爬行動物的能耗差不多,或者成年人能耗的10%。也就是說,如果你找來很多人,把他們碼在一起,只要體積能達到太陽內核的10%,輸出能量就會超過太陽了。

輻射層外面是對流層。這裏物質已經不那麽稠密了。對流層底部的高溫物質向外運動,到達頂部後溫度下降,然後下沈,回到底部。對流層就是用這種對流的方式把來自輻射層的能量傳遞出去。我們在太陽表面看到的米粒組織就是對流層中的熱柱。

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Granule (solar physics)

太陽鋪張浪費的習性正是來自輻射層。它隔離了對流層和內核,讓外層的氫燃料不能進入內核參加聚變。結果,太陽把內核的氫都變成了氦以後,進入紅巨星階段。在劇烈的熱脈動中,太陽把外層氣體都吹向了太空。最後,只剩下一顆毫無用處的白矮星。

雖然這是50億年以後的事情,但是我們並沒有那麽長的時間。由於內核中氦不斷積累,太陽的能量輸出一直在增長。按照現在的速度,10億年以後,地球上就不會有液態水存在了。估計5億年以後,地球就不再適合人類生存了。

顯然,我們找不到一個大勺子,時不時伸到太陽裏面去把它攪拌均勻。所以,我們只好采用另一個辦法:降低太陽的質素,把它變成消耗氫燃料更慢的紅矮星。小於0.35倍太陽質素的紅矮星沒有輻射層,可以用對流的方式把外層的氫送進內核去燃燒,精打細算地過完自己漫長的一生。通常,紅矮星的壽命高達千億年以上,而0.1倍太陽質素的紅矮星的壽命高達10萬億年。

要達到完全利用太陽的目的,我們要把太陽平均分成三份,變成三個紅矮星。

分裂太陽比把大象放進冰箱還要簡單,只需要兩步:

  1. 把太陽外層氣體拿出來。
  2. 把氣體聚集在一起,就會形成新的恒星。

當然,以現在的技術水平,任何一步都做不到。但是,一旦我們進入卡爾達肖夫II型文明階段(

https://en.wikipedia.org/wiki/Kardashev_scale

),改造恒星也許就是修建高速公路那樣的普通基建工程了。以人類現在的發展速度,我相信幾十萬年時間應該綽綽有余了。我們現在就可以展望一下未來可以用來改造太陽的技術。

要取出太陽的外層氣體,最簡單的方法就是增強太陽風,讓它自己把氣體吹出來。我們可以采用諸如激光、微波或者離子流等方案,向太陽表面註入能量。這樣做的效果就是產生高強度的持續等離子噴流,加強這個方向的太陽風,大振幅提高噴出物質的速度。

要收集這樣的稀薄物質不太容易,我們需要把它們聚集在一起。方法是這樣的:讓很多空間站執行在太陽赤道,它們雖然相互分離,但是可以發射和接受帶電粒子流。當整個系統執行起來以後,就構成了一個環日加速器。加速器中的粒子流形成了一個沿著太陽赤道執行的電流。電流產生的強大磁場迫使太陽噴出物質從南北兩極方向離開太陽。這樣的定向粒子流肯定比天女散花的太陽風要容易收集得多。

這種方案需要的能量肯定不少,不過不用擔心,太陽本身就是取之不盡的能量源泉,我們就不用內建幹糧了。既然人類已經是II型文明,建造一個戴森球來收集太陽的能量想必已經不在話下。當然,要建一個嚴格的球面從工程的角度來說不太可能,我們可能需要發射大量的太陽能衛星或者太空城市作為替代方案。

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Dyson Swarm | Dyson Sphere

其實,向太陽表面註入激光之類的能量並不是必要的。我們來看看一個更巧妙的方案 —— 「吸氣和噴射(huff and puff)」。這個有趣的名字來自【三只小豬】中大灰狼的名言。

在這個方案中,我們仍然在太陽赤道上空設定一圈空間站加速器,但是它們並不繞太陽執行,所以會向太陽自由落體。當它們獲得一定的速度時,開啟加速器。粒子流產生的磁場會阻止空間站繼續下墜,並且上升到原來的高度。同時,也會擠壓太陽,讓它從兩極噴出粒子流。在這個周期內,空間站完成了吸氣和噴射的過程。然後,關閉加速器,讓它們重新向太陽墜落,開始下一個周期。

此外,沿著兩極方向排列的環日加速器可以加速太陽自轉,讓離心力把太陽外層氣體投擲來。

從太陽噴出的等離子射流可能長達上千個天文單位,而且非常稀薄。其中主要包含氫和氦,還有少量其他金屬元素。如果我們要把這些原料收集起來用作工業用途的話,可能需要大規模的質譜儀,根據不同粒子的質素-電荷比把它們分離儲存。但是,如果我們只是要用它們來制造另一顆恒星,問題就簡單多了:只要把它們聚集在一起就行了。

工程結束以後,我們得到了三個或者更多的紅矮星。但是,還不到開香檳慶功的時候。現在的問題是,太陽系的中心有多個紅矮星了,怎樣才能讓它們執行在一個穩定的軌域上呢?恒星可是人類生存的根本。一不小心要是有幾個紅矮星被甩出去,我們就損失慘重了。

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多體問題的穩定特解

不過不用擔心,我們制造出來的紅矮星質素非常接近。在這個前提下,不難給它們找到一個穩定的軌域。隨著時間的流逝,它們很可能會慢慢偏離自己的軌域,所以在每一顆紅矮星上安裝一個推進裝置,隨時做軌域調節,還是非常必要的。上面提到的加速器就可以做到這一點。

另外,由於紅矮星輸出能量很小,而且非常不穩定,所以對於一般的生命星球來說,並不太合適(

如何看待「離太陽系最近的比鄰星發現宜居類地行星,可能還有水」? - Mandelbrot 的回答

)。但是,對於擁有戴森球的II型文明來說,這也不是問題了。

如果我們把太陽分裂成了10個紅矮星,它們可以在萬億年的時間內為人類提供穩定的能量輸出。即使從宇宙的角度來看,也可以算是地老天荒了(

宇宙中有哪些細思極恐之事? - Mandelbrot 的回答

)。對費米悖論的一個解釋就是,高級文明可能都沒有什麽征服宇宙的雄心壯誌,它們都躲在依紅矮星建造的戴森球內,安安穩穩的過自己的小日子。誰知道這是不是人類文明的未來呢。

參考資料:

  1. Star lifting
  2. Sun
  3. Red dwarf