太阳：3800亿亿兆瓦，远超生命所需

在黑暗中诞生

分子云的坍缩

约45.7亿年前，主要由氢和星际尘埃组成的巨大分子云中的引力不稳定性引发了物质的坍缩。大部分质量集中在中心形成原恒星，而一个由气体和尘埃组成的圆盘——行星将在其中诞生——在其周围扁平化。

核聚变的点燃

渐进的压缩使这颗原恒星中心的温度和压力升高。当中心温度达到约1000万开尔文时，通过质子-质子链，氢核聚变为氦的热核聚变开始了。这个放热过程释放了足以抗衡引力的能量：太阳诞生了，这种平衡已持续了45.7亿年。

难以想象的功率

质量转化为能量

太阳每秒钟将约6.2亿吨氢转化为约6.16亿吨氦。其差值，近430万吨，根据相对论方程 \( E = \Delta m \cdot c^2 \) 转化为能量。辐射功率达到 \(3{,}828 \times 10^{26}\) 瓦特，这是2015年国际天文学联合会采用的标称值。聚变能量的一小部分，约2%，由中微子而非光的形式带走。

根据来源不同，每秒钟转化的氢质量在6亿至6.3亿吨之间变化，取决于所采用的光度和聚变效率。

与核电站的比较

根据国际原子能机构的PRIS数据库，2026年7月中旬有417座核反应堆在运行，净电功率约为380 GW，即 \(3{,}8 \times 10^{11}\) W。因此，太阳的功率约大 \(10^{15}\) 倍，即一百万亿倍。如果计算反应堆的热功率而非电功率，该比率仍保持在 \(10^{14}\) 至 \(10^{15}\) 的数量级。这种能量流负责整个太阳系的热结构，使各行星保持在不同的宜居带。

地球接收的能量

在1.5亿公里的距离上，地球以其 \(1{,}27 \times 10^{14}\ \text{m}^2\) 的截面拦截约1361 W/m²（标称总太阳辐照度）的通量，即 \(1{,}7 \times 10^{17}\) W。这约占太阳总功率的 \(4{,}5 \times 10^{-10}\)，即二十亿分之一。这微不足道的份额足以维持约15°C的全球平均温度，对生命至关重要。如果没有自然温室效应，它将接近−18°C。

中微子：来自太阳核心的直接信使

被困的光子，自由的中微子

核心产生的能量不会直接逸出：光子在到达表面之前被无数次吸收和再发射。而中微子与物质的相互作用极弱，几秒钟就能穿过太阳。它们是唯一直接探测聚变发生区域（约1500万开尔文）的探针。

光子从核心到表面的旅行时间在很大程度上取决于模型：估计从数万年到十万年以上不等，根据某些来源甚至可达一百万年。

Borexino与CNO循环

有两种机制将氢聚变为氦：质子-质子链产生约99%的太阳能量，以及20世纪30年代末提出的CNO循环（碳-氮-氧），约占太阳能量的1%。在质量更大的恒星中，该循环占主导地位。2020年，安装在意大利格兰萨索地下的Borexino实验首次探测到CNO循环的中微子，统计显著性超过5西格玛。信号微弱：每100吨靶物质每天约7个事件。

测量金属丰度和核心自转

CNO中微子通量取决于核心中重元素的丰度。因此，它为直接测量仍有争议的太阳金属丰度开辟了道路。2025年7月，一个法国团队还通过流体动力学模拟和波的拓扑理论，预测了一种周期约一小时的振荡，对深部核心的自转敏感。其探测将为恒星核心提供一个新窗口。

其热功率的增长

太阳光度的增加

自45.7亿年前诞生以来，太阳辐射的功率并非恒定不变。恒星演化模型表明，像太阳这样的黄矮星，其光度会缓慢但持续地增长。核心中氢逐渐转化为氦，提高了中心温度和聚变反应速率。

太阳光度平均每10亿年增加约10%。因此，在其形成时，太阳仅辐射其当前功率的约70%，即：

• 诞生时：约 \(2{,}7 \times 10^{26}\ \text{W}\)
• 目前：约 \(3{,}83 \times 10^{26}\ \text{W}\)
• 20亿年后：约 \(4{,}6 \times 10^{26}\ \text{W}\)

年轻太阳黯淡悖论

仅有当前功率的70%，年轻太阳本应让地球冻结。然而地质痕迹表明，早在太古代就存在液态水。通常提出的解释是大气中温室气体更丰富。这种光度的逐渐增加，在地质时间尺度上改变了地球的辐射平衡，影响大气和生物圈的演化。

对地球气候的影响

从长远来看，这种渐进的变暖将在太阳生命结束之前很久就使地球表面不宜居。根据2021年发表在Nature Geoscience上的模拟，地球富含氧气的大气层预计只能持续约10.8 ± 1.4亿年。随后将是急剧的脱氧，甚至在湿润温室效应出现和海洋大规模丧失之前。

这个期限是来自模型的估计。它对地球地球化学循环的假设仍然敏感。

太阳物质与太阳风

太阳等离子体的组成

太阳是一个等离子体球体，其质量组成以氢（约74%）和氦（24%至25%）为主。其余约1.4%至1.6%由天体物理学意义上的金属组成：氧、碳、铁、氖等。这种金属丰度的确切值因光谱分析方法的不同而仍有争议。

核心的条件

核心延伸至太阳半径的约四分之一。那里的温度达到1500万开尔文，密度约为150 g/cm³，即水的150倍。热运动如此剧烈，以至于电子被从原子核中剥离，形成完全电离的等离子体。

太阳风

部分日冕物质以带电粒子——电子和质子——的形式持续逃逸，构成太阳风，以300至800 km/s的速度传播。日冕被加热至一两百万度，而表面仅约5800度，这仍然是太阳物理学的重大谜团之一。

太阳风的后果

极光

太阳风与地球磁层相互作用，诱导高能粒子流进入极地大气层。这些相互作用激发氮和氧分子，产生北极光和南极光，主要波长包括绿色（557.7 nm）、红色（630.0 nm）和蓝色。

彗尾

彗星则通过形成始终背离太阳方向的离子尾，揭示太阳风的方向。

受监控的太阳：第25周期与太空探测器

处于下降阶段的第25太阳活动周期

2024年10月15日，NASA、NOAA和国际预测小组宣布，太阳已达到其11年活动周期的第25周期的极大期。该周期超过了2019年的初步预测，当时预测2025年7月前后有一个约115（平滑黑子数）的温和峰值。此后，活动已进入下降阶段。强烈的爆发仍有可能，但下一个极小期预计在2030-2031年左右。

帕克太阳探测器，最接近日冕

2024年12月24日，NASA的帕克太阳探测器在距太阳表面610万公里处、以约69.2万公里/小时的速度飞过。这是人类迄今实现的最接近的飞越和最快的物体。此距离和速度在此后的七次飞越中已被追平，最后一次发生在2026年9月4日，是任务的第29次飞越。任务已延长至2029年，将在周期的下降阶段观测太阳。

太阳轨道器，首次拍摄极区图像

2020年发射的太阳轨道器探测器（ESA-NASA）于2025年将其轨道倾斜至17°。它因此获得了黄道面外太阳极区的首批图像。它在南极观测到“无序”磁场，北极和南极极性混合，这是太阳极大期的典型现象，此时磁场反转。在它之前，只有尤利西斯号探测器（1990-2009）飞越过极区，但没有成像仪器。轨道倾角将在2026年12月24日增至24°，然后从2029年6月起增至33°。

依然光明的未来

红巨星阶段

目前处于主序星阶段，太阳通过在其核心将氢聚变为氦来产生能量。它已经消耗了约一半的这种燃料，这个稳定阶段还将持续约50亿年。然后核心将自身坍缩，导致外层膨胀：太阳将成为红巨星，吞没水星、金星，可能还有地球。

地球的命运取决于模型：太阳的质量损失会将轨道向外推，而潮汐效应可能将行星拉近膨胀的恒星。

白矮星

由于质量太小，无法作为超新星爆炸，太阳将以白矮星的形式结束其生命——一个地球大小的致密残骸，留下一个行星状星云。在此之前，它将继续为地球生物圈提供能量。