氦闪：并没有闪光的恒星氦聚变

2022年8月3日上午6:22 • 科学 • 阅读 2999

在刘慈欣的小说《流浪地球》中提到了一个概念——氦闪，并描述当太阳发生氦闪的时候，预示着整个太阳系都不适宜生命存在了。那么在现实中，真的有氦闪这一现象么？

氦闪是一种非常短暂的核聚变热失控现象，主要发生在一些中低质量的恒星（0.8倍~2倍太阳质量）的核心中，大量的氦元素通过三氦过程（Triple-alpha process）的方式转化成碳元素，这样的过程一般发生在恒星的红巨星阶段。

另外就是白矮星的表面也可能会积聚大量的氦元素从而导致氦聚变产生氦闪。

一般来说，低质量恒星在主序星阶段将会通过将氢元素转化为氦元素的方式来发光发热，随着其内部的氢元素越用越少，氦元素越积越多，最终将会导致氢元素消耗殆尽。但是低质量的恒星（比如太阳）又不能产生足够大的引力压力来启动正常的氦聚变，所以随着恒星核心中氢元素的耗尽，留下的一些氦元素就会被压缩成简并物质，由量子力学压力而不是热压力支撑以抵抗引力坍缩。这会增加核心的密度和温度，直到达到大约1亿开尔文，这足以在核心中引起氦聚变（或“氦燃烧”）。

然而，简并物质的一个基本特性是，温度的升高不会导致物质的体积增加，直到热压变得非常高以至于超过简并压力。在主序星中，恒星可以通过热膨胀来调节核心温度，但在末期红巨星退化的核心中，已经无法通过膨胀恒星外壳来降温了。于是氦聚变就产生了，氦聚变会提高恒星核心的温度，从而提高聚变速率，并进一步提高失控反应中的温度。这会产生非常强烈的氦聚变闪光，仅持续几分钟，但是这几分钟释放的能量相当于整个银河系同时间内释放的能量之和。

在正常的低质量恒星上，巨大的能量释放会导致大部分核心脱离简并状态，使其能够热膨胀，但是，在发生氦闪的恒星身上，消耗的能量与氦闪释放的总能量一样多，任何剩下的过度的能量被吸收到恒星的上层。因此，氦闪几乎无法被观测到，只能由天体物理模型来描述。在核心膨胀和冷却之后，恒星的表面会在短短10000年内迅速冷却和收缩，直到其半径和光度约为原来的2%。据估计，电子简并氦核心的重量约为恒星质量的40%，核心的6%转化为碳。

电子简并氦核心在未来的日子里还会不断的收缩，最终变成一颗氦白矮星。

和小说《流浪地球》中描述的氦闪是一次明亮的闪光不同的是，真实的氦闪是发生在恒星核心处的，所以在恒星外观上无法观察到明显的变化，甚至是通过电磁辐射也无法直接观察到。这主要还是因为氦闪释放的巨量能量都被整个核心吸收了。在氦闪发生过后的数万年内，恒星就会慢慢收缩自己的半径和降低自己的光度，最终变成一颗白矮星。