你能想象一個沒有太陽的世界是怎樣的嗎？天文學家的研究表明，如果沒有太陽，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)則會驟降到零下73.33攝氏度，大多數(shù)植物會在幾周內(nèi)死亡，接下來大部分生命體會因為陽光的消失而煙消云散，一切都將歸于死寂。
現(xiàn)在知道，對我們而言太陽有多重要了吧！然而，不幸的事情發(fā)生了。近日，國外的科學家對太陽金屬豐度的研究表明，我們可能將太陽壽命高估了10億年，太陽有可能比我們以前預計的提前10億年走向死亡。
元素豐度掌控太陽命門
據(jù)了解，以前科學家根據(jù)忽略轉(zhuǎn)動效應的標準太陽模型推出太陽的壽命約為100億年，這是由恒星演化程序模擬得到的一個理論值，而不是一個真實值。而且這個值只是指恒星演化理論上的中心氫燃燒壽命。
“這并不是說太陽真的只能存在100億年，準確的說法應該叫做太陽模型的主序壽命。理論上，大約100億年后太陽會變成一顆紅巨星，但它依然存在，而且會發(fā)出更多的陽光。”北京師范大學天文系楊伍明副教授告訴科技日報記者。
他表示，得到100億年這個理論值有許多前提條件，需要假定太陽的初始元素豐度和太陽內(nèi)部的物理過程。初始元素豐度不同，得到的太陽模型壽命就不同。由于不可能真正得到太陽的初始元素豐度和確定其內(nèi)部的物理過程，因此太陽甚至其他恒星的壽命是無法精確估算的。
二十年前，天文學家對太陽直接和間接的測量結(jié)果都表明，太陽的金屬豐度在1.8%左右；然而，最新的太陽光譜測量表明，太陽的金屬豐度僅有1.3%，遠低于之前的測量結(jié)果，相應的，太陽的壽命也會減少10億年。
所謂的太陽金屬豐度是除氫氦以外的太陽元素豐度的總稱，此金屬不同于我們通常所說的金屬，由于太陽中氫元素和氦元素的含量占了絕大多數(shù)，天文學家把太陽中的所有更重的元素都稱為“金屬”。這些金屬的含量雖微，但卻影響著太陽的命運。
由于金屬元素的電子容易吸收光子，從而阻礙輻射，太陽或恒星的金屬豐度越高，不透明度也就越高。而太陽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研究太陽金屬豐度的物理學家薩尼·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。
大氣模型影響太陽壽命估算
最新研究所采用的太陽光譜測量通常是指天文學家通過太陽光譜分析得出氫、碳、氮、氧、鐵等所有能測的元素的譜線，然后和太陽大氣模型給出的譜線進行比較，當兩者一致時，大氣模型中所采用的氫、碳、氮、氧、鐵等元素的豐度就認為是太陽光球?qū)拥脑刎S度。“但是，這種方法無法獲得氦、氖、氬等惰性氣體的相對豐度。太陽表面的氦元素豐度只能由日震學推斷給出。”楊伍明說。
最新的測量結(jié)果出來以后，不少人都在疑問：為什么前后兩次測量的太陽金屬豐度會有這么大的差異？
對此，楊伍明解釋道：舊的太陽金屬豐度是由局部熱動平衡的一維大氣模型結(jié)合觀測譜線推導給出的；而新的太陽金屬豐度則是由非局部熱動平衡的三維大氣模型結(jié)合觀測譜線推導給出的。舊的一維大氣模型被認為忽略了許多物理因素，有科學家認為新的大氣模型更接近真實情況，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，金屬豐度減小會導致中心核反應產(chǎn)生的能量更容易向外輻射。而能量容易向外輻射，則會導致恒星更容易收縮，使得恒星中心的密度、溫度等增大。更重要的是，密度、溫度的升高會使氫燃燒速率加快，從而導致中心氫燃燒的總時間縮短，也就是太陽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的自轉(zhuǎn)對其演化的影響，那么前面說的壽命減少就不存在。
那么，未來該如何驗證哪種方法得出的太陽壽命更正確？
在楊伍明看來，這個問題的答案在于哪個金屬豐度測量值更準確，以及日震學反演結(jié)果是否可靠。只有給出正確的太陽元素豐度，才能確定太陽的壽命有多長。如果我們能給出和日震學反演結(jié)果一致的新金屬豐度太陽模型，所有相關(guān)問題將迎刃而解。
壽命幾何事關(guān)恒星演化理論
對于太陽金屬元素豐度的爭論，南京大學天文與空間科學學院教授陳鵬飛表示，他傾向認為最開始推出的太陽壽命是正確的，太陽的壽命并不會減少10億年。“基于幾個理由我更傾向于認為原來的模型是對的：第一，人造衛(wèi)星對太陽風中金屬豐度的測量結(jié)果是支持1.8%的；第二，太陽表面的光球?qū)用芏茸銐蚋撸酝捎镁植繜崞胶饽Ｐ偷慕剖呛侠淼模坏谌履Ｐ涂紤]了太陽大氣的非均勻性確實是一個進步，可是也忽略了其他一些因素，比如磁場的影響；第四，退一步講，即使新模型的結(jié)果是對的，但由于金屬豐度的分布可能是不均勻的，太陽表面的金屬豐度也許和內(nèi)部存在差異。”陳鵬飛說道。
與此同時，楊伍明也更贊同最開始推出的太陽壽命是正確的。他表示，太陽的壽命并沒有被高估10億年，認為太陽壽命被高估是因為只考慮了金屬豐度減小，當考慮到氫元素豐度增加和轉(zhuǎn)動對太陽演化的影響時，太陽的壽命就不會減少。
然而，澳大利亞國立大學的天體物理學家馬丁·阿斯普朗德就堅持認為，1.3%的太陽金屬豐度是正確的。他表示，天文學的方方面面都會因此受到影響，對恒星演化的準確認識，幾乎奠定了一切的基礎(chǔ)。
那么，如果天文學家確實將太陽壽命高估了10億年，究竟需要對哪些理論進行修正？
在楊伍明看來，如果太陽的生命真的被高估10億年，這說明天文學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。例如標準的恒星演化理論都忽略了恒星轉(zhuǎn)動的影響，而事實上所有的恒星都在轉(zhuǎn)動。我們到了需要認真考慮轉(zhuǎn)動對恒星演化影響的時代了。天文學對星團、星系等的研究在一定程度上都依賴于恒星演化理論，如果恒星演化理論錯了，之前對星團、銀河系等的認識也需要調(diào)整。
現(xiàn)在知道，對我們而言太陽有多重要了吧！然而，不幸的事情發(fā)生了。近日，國外的科學家對太陽金屬豐度的研究表明，我們可能將太陽壽命高估了10億年，太陽有可能比我們以前預計的提前10億年走向死亡。
元素豐度掌控太陽命門
據(jù)了解，以前科學家根據(jù)忽略轉(zhuǎn)動效應的標準太陽模型推出太陽的壽命約為100億年，這是由恒星演化程序模擬得到的一個理論值，而不是一個真實值。而且這個值只是指恒星演化理論上的中心氫燃燒壽命。
“這并不是說太陽真的只能存在100億年，準確的說法應該叫做太陽模型的主序壽命。理論上，大約100億年后太陽會變成一顆紅巨星，但它依然存在，而且會發(fā)出更多的陽光。”北京師范大學天文系楊伍明副教授告訴科技日報記者。
他表示，得到100億年這個理論值有許多前提條件，需要假定太陽的初始元素豐度和太陽內(nèi)部的物理過程。初始元素豐度不同，得到的太陽模型壽命就不同。由于不可能真正得到太陽的初始元素豐度和確定其內(nèi)部的物理過程，因此太陽甚至其他恒星的壽命是無法精確估算的。
二十年前，天文學家對太陽直接和間接的測量結(jié)果都表明，太陽的金屬豐度在1.8%左右；然而，最新的太陽光譜測量表明，太陽的金屬豐度僅有1.3%，遠低于之前的測量結(jié)果，相應的，太陽的壽命也會減少10億年。
所謂的太陽金屬豐度是除氫氦以外的太陽元素豐度的總稱，此金屬不同于我們通常所說的金屬，由于太陽中氫元素和氦元素的含量占了絕大多數(shù)，天文學家把太陽中的所有更重的元素都稱為“金屬”。這些金屬的含量雖微，但卻影響著太陽的命運。
由于金屬元素的電子容易吸收光子，從而阻礙輻射，太陽或恒星的金屬豐度越高，不透明度也就越高。而太陽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研究太陽金屬豐度的物理學家薩尼·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。
大氣模型影響太陽壽命估算
最新研究所采用的太陽光譜測量通常是指天文學家通過太陽光譜分析得出氫、碳、氮、氧、鐵等所有能測的元素的譜線，然后和太陽大氣模型給出的譜線進行比較，當兩者一致時，大氣模型中所采用的氫、碳、氮、氧、鐵等元素的豐度就認為是太陽光球?qū)拥脑刎S度。“但是，這種方法無法獲得氦、氖、氬等惰性氣體的相對豐度。太陽表面的氦元素豐度只能由日震學推斷給出。”楊伍明說。
最新的測量結(jié)果出來以后，不少人都在疑問：為什么前后兩次測量的太陽金屬豐度會有這么大的差異？
對此，楊伍明解釋道：舊的太陽金屬豐度是由局部熱動平衡的一維大氣模型結(jié)合觀測譜線推導給出的；而新的太陽金屬豐度則是由非局部熱動平衡的三維大氣模型結(jié)合觀測譜線推導給出的。舊的一維大氣模型被認為忽略了許多物理因素，有科學家認為新的大氣模型更接近真實情況，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，金屬豐度減小會導致中心核反應產(chǎn)生的能量更容易向外輻射。而能量容易向外輻射，則會導致恒星更容易收縮，使得恒星中心的密度、溫度等增大。更重要的是，密度、溫度的升高會使氫燃燒速率加快，從而導致中心氫燃燒的總時間縮短，也就是太陽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的自轉(zhuǎn)對其演化的影響，那么前面說的壽命減少就不存在。
那么，未來該如何驗證哪種方法得出的太陽壽命更正確？
在楊伍明看來，這個問題的答案在于哪個金屬豐度測量值更準確，以及日震學反演結(jié)果是否可靠。只有給出正確的太陽元素豐度，才能確定太陽的壽命有多長。如果我們能給出和日震學反演結(jié)果一致的新金屬豐度太陽模型，所有相關(guān)問題將迎刃而解。
壽命幾何事關(guān)恒星演化理論
對于太陽金屬元素豐度的爭論，南京大學天文與空間科學學院教授陳鵬飛表示，他傾向認為最開始推出的太陽壽命是正確的，太陽的壽命并不會減少10億年。“基于幾個理由我更傾向于認為原來的模型是對的：第一，人造衛(wèi)星對太陽風中金屬豐度的測量結(jié)果是支持1.8%的；第二，太陽表面的光球?qū)用芏茸銐蚋撸酝捎镁植繜崞胶饽Ｐ偷慕剖呛侠淼模坏谌履Ｐ涂紤]了太陽大氣的非均勻性確實是一個進步，可是也忽略了其他一些因素，比如磁場的影響；第四，退一步講，即使新模型的結(jié)果是對的，但由于金屬豐度的分布可能是不均勻的，太陽表面的金屬豐度也許和內(nèi)部存在差異。”陳鵬飛說道。
與此同時，楊伍明也更贊同最開始推出的太陽壽命是正確的。他表示，太陽的壽命并沒有被高估10億年，認為太陽壽命被高估是因為只考慮了金屬豐度減小，當考慮到氫元素豐度增加和轉(zhuǎn)動對太陽演化的影響時，太陽的壽命就不會減少。
然而，澳大利亞國立大學的天體物理學家馬丁·阿斯普朗德就堅持認為，1.3%的太陽金屬豐度是正確的。他表示，天文學的方方面面都會因此受到影響，對恒星演化的準確認識，幾乎奠定了一切的基礎(chǔ)。
那么，如果天文學家確實將太陽壽命高估了10億年，究竟需要對哪些理論進行修正？
在楊伍明看來，如果太陽的生命真的被高估10億年，這說明天文學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。例如標準的恒星演化理論都忽略了恒星轉(zhuǎn)動的影響，而事實上所有的恒星都在轉(zhuǎn)動。我們到了需要認真考慮轉(zhuǎn)動對恒星演化影響的時代了。天文學對星團、星系等的研究在一定程度上都依賴于恒星演化理論，如果恒星演化理論錯了，之前對星團、銀河系等的認識也需要調(diào)整。
