每秒消耗500萬噸物質,已經持續46億年,太陽為何還沒燒…


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每秒消耗500萬噸物質,已經持續46億年,太陽為何還沒燒完?

人類伴隨著太陽東昇西落,日出而作日落而息已經成為人類的生活習慣,太陽不僅僅對於人類必不可少,地球上的所有生命都受惠於太陽的發光發熱,也可以說有了太陽才有地球上的生機勃勃。

地球上來看太陽就像是勤勞一絲不苟的打工人,每天按時上班升起,按時下班落山,46億年了一直如此。而從更加廣闊的視角來看,地球繞太陽公轉,沒有一刻停止,地球的自轉和公轉給地球帶來了晝夜和四季更替。在大部分人的印像中,太陽就是一個燃燒著發光發熱永不熄滅的大火球,但實際上太陽作為一顆恆星,它的發光發熱並非燃燒,而是更加深層次的能量釋放過程。

燃燒需要可燃物氧氣,是完全的化學過程,而太陽的發光發熱並不屬於化學過程,而是原子層次的核聚變,人類利用核聚變只製造過氫彈,這是比原子彈威力還要大的能量釋放形式。

太陽內核在“燃燒”

恆星是宇宙中最常見的天體,同樣也是能量的主要來源,任何誕生生命的天體都離不開中心恆星的能量供應。太陽是我們恆星系的中心天體,周圍有包括地球在內的八大行星以及小行星帶,每顆行星都有自己的衛星。更遠處是柯伊伯帶天體,目前NASA的新視野號探測器正在柯伊伯帶執行探測任務。

太陽的邊界主流科學認為是奧爾特雲,那裡是一片冰凍的世界,存在大量的長周期彗星,大部分都是形成於太陽系初期。太陽就是這個世界的主宰者,直徑2-3光年的太陽係都依靠太陽的發光發熱。

作為一顆恆星主要是由氫氣構成,經過46億年的“燃燒”,目前佔比75%,剩下的主要都是氦,而例如氧碳等元素加起來不足2%。

太陽的核聚變主要發生在內核,這是一個由太陽中心點到0.2倍半徑構成的區域。這裡被認為是太陽內溫度最高的區域,是個理想化的球體。核聚變發生需要滿足必要的條件,首先是溫度足夠高,科學家推測其內部溫度可高達1500萬開爾文,對比來看太陽表面溫度僅為6000開爾文,而密度可以達到水的150倍以上。

太陽核聚變本質上是讓氫核融合成為氦核,當溫度足夠高分子熱運動足夠劇烈,有利於氫核的碰撞。而壓力足夠高,意味著密度大,氫核之間的碰撞機率增大,有利於核聚變的發生。

科學家計算太陽內核內每秒鐘會有6億噸氫核聚變生成5.95億噸氦,整個反應過程損失500萬噸質量。這些質量按照愛因斯坦的質能方程全部轉化為能量,以光和熱的形式反饋給整個太陽系。

這個過程已經持續46億年之久,根據太陽的質量推算太陽還將持續發光發熱50億年。屆時太陽內核處的氦核密度超過臨界點,會發生氦核聚變,一瞬間釋放出巨大的能量,可能會徹底地摧毀四顆岩石行星,把四顆氣態巨行星推離原軌道,這也是劉慈欣《流浪地球》的科學背景。

太陽的核聚變為何持續如此之久?

太陽內核的氫燃料較多,自然就可以漫長的“燃燒”了,目前的問題是為何太陽的核聚變不會像地球上的氫彈一樣瞬間引爆?實際上太陽的核聚變我們通常喜歡在前邊加上“可控”二字,指的是一個可控核聚變過程。

太陽核聚變的過程會向外有一個膨脹的力,而太陽自身的物質會因為引力塌陷作用下內伸縮,就這樣兩個力的效果會有一個平衡點。首先是當核聚變速率加快,膨脹的力較大,這種情況下太陽內核處會膨脹粒子間距自然變大,因此核聚變速率變慢。

這種情況在在太陽自身的引力塌陷下,會向內壓縮,這樣有利於太陽內核聚變的發生,因此核聚變速率變快。這樣的動態平衡過程非常類似於“一呼一吸”,保證太陽核聚變平穩進行,還可以持續50億年之久。

說在最後

理論上來講太陽還可以進行核聚變59億年左右,但實際上在30億年以後太陽就會逐漸向紅巨星轉變,釋放的能量越來越多,在地球上接收到的太陽輻射能自然也就多了起來。這也意味著地球上平均溫度的升高,因此各個國家對於火星還是比較關注的,畢竟隨著太陽越來越熱,移居帶會向外移動,未來火星移民不失為一個好辦法。

文/科學黑洞,圖片來源網絡侵刪。