太陽天天燒,為啥總也燒不完,到​​了末日是燃料耗盡了嗎…


太陽天天燒,為啥總也燒不完,到​​了末日是燃料耗盡了嗎?的頭圖

太陽天天燒,為啥總也燒不完,到​​了末日是燃料耗盡了嗎?

太陽不停地燒呀燒,發出巨大的光和熱,這要多大的燃料消耗啊。可太陽已經燒了50億年,怎麼就老燒不完呢?據說太陽還有50億年就壽終正寢了,是不是那時太陽的燃料耗盡了呢?

很多朋友有這種疑問,今天就通俗地討論一下這個話題,希望能給朋友們解惑。

  • 太陽末日。

科學家們早就為太陽算了命,像太陽這樣的黃矮星壽命大概約100億年,現在太陽已經46億歲了,大概還有50幾億年的壽命。像太陽這種質量的黃矮星,死亡前會迴光返照,膨脹成一個巨大的紅巨星,半徑約原來的200~300倍,到了那個時候,就是太陽的末日。

紅巨星的表面溫度還有約3000K,在膨脹過程中,水星和金星難逃厄運,比太陽吞噬掉似乎已成定局。地球會不會被吞噬掉,有多種說法。紅巨星如果膨脹200倍,現在太陽的半徑約70萬千米,200倍就是1.4億千米,而地球距離太陽1.5億千米,到時候就還有那麼1000萬千米距離,可能不被吞噬,但會被烤成一個烤土豆。

但太陽紅巨星不可能正好膨脹半徑200倍,大於200倍,地球當然就被吞噬掉了。

還有說法認為,在太陽演化後期,外層會不斷釋放出氣體,最後太陽質量會減少到現在的60%,由於引力減弱,行星開始遠離太陽,比現在的距離要擴大70%。這樣地球就飄到距離太陽2.55億千米的地方,太陽紅巨星膨脹到現在直徑的300倍以上才有可能吞掉地球。

  • 太陽系的末日和走向。

太陽質量佔據太陽系的99.86%,所有行星都是在太陽引力牽扯下公轉,太陽一死,行星這些太陽的子子孫孫們還能存在嗎?

一種個說法是,如果地球沒被吞噬,那火星、木星、土星、天王星、海王星就會被留下來,不過也和死了差不多。因為太陽紅巨星外圍的氣體會漸漸飄散在空中,最終只會留下一個緻密的碳核,這個碳核體積和現在的地球差不多,但質量卻有現在太陽的50%以上,因此其密度達到1噸/cm^3以上。

這就是太陽的屍骸~白矮星。白矮星的引力小了很多,且光和熱已經很微弱,殘留的行星們幾乎都沉浸在一旁黑暗中,且會變得異常寒冷,溫度接近絕對零度;而引力已經小了很多的白矮星,能牽制住已經逃遠的行星嗎?如果不能,這些行星就會越飄越遠,最終消失在漆黑冰冷的太空,成為流浪行星。

還有一種說法,就是木星這時候的機會來了。這顆太陽系最大行星有可能會將太陽飄散到太空的物質“吃掉”,通過吸積壯大自己,當自己質量達到太陽的8%時,就能夠激發核心的核聚變,成為一顆最小的恆星~紅矮星。而靠近木星的火星、地球等,或許會改投新主子,圍繞著這顆“自立為王”的新星旋轉。

這樣太陽係就成為一顆紅矮星和一顆白矮星相伴的雙星系統,一個新的恆星系統就形成了。這個問題我在過去有過多次分析討論,有興趣的朋友可以查閱我過去文章,這裡就不細扯了。

  • 恆星的壽命。

我們知道所有的恆星都主要由氫和氦元素組成,如果按體積計算,氫約佔90%,氦佔10%不到,其餘的元素在1%左右。而所有恆星都是因為巨大的質量形成向心的引力壓,讓核心部分處於高溫高壓下,由此引發了氫核聚變。核心核聚變產生巨大的輻射壓,就頂住了恆星巨大質量向心的引力壓,形成了一個平衡,這樣就是恆星的主序星階段,也就是恆星最穩定占生命週期最長的主序星階段。我們通常說太陽壽命100億年,就是其主序星的壽命。

恆星中心源源不斷的核聚變產生了巨大的能量輻射,讓恆星主序星階段穩定的發光發熱,向太空源源不斷的輻射著能量。那麼這個能量消耗到底有多大呢?恆星要燒多久才能燒完其燃料呢?

不同的恆星核聚變的劇烈程度不一樣,因此燃料消耗的速度就也不一樣。基本的常識是,質量越大的恆星,核心引力壓力和溫度越高,因此核聚變就越劇烈,燃料燃燒就越快,壽命就越短;而越小的恆星,中心引力壓力和溫度就越低,核聚變就比較和緩,燃料消耗就越小,因此壽命越長。

迄今為止,人類發現質量最大的恆星是藍特超巨星r136a1,質量是太陽的200倍以上,壽命只有300多萬年;而最小的恆星紅矮星,質量只有太陽的8%,壽命可達10萬億年,基本上是宇宙壽命有多長,它的壽命就有多長。

  • 太陽核聚變產生的能量有多大?

太陽這樣的黃矮星,在宇宙中約佔10%左右,屬於中小質量恆星,壽命在100億年左右。科學研究認為,像太陽這種質量的恆星,其核心溫度約為1500萬K,壓力達到3000億個地球海平面大氣壓強。

在這樣巨大的壓力和溫度下,核心一直在發生著4個氫核融合成一個氦核的聚變,每秒鐘有6億噸的氫轉化為5.958億噸的氦,這樣產生了約0.7%,也就是420萬噸的質量虧損。這些質量到哪裡去了呢?就是轉化成能量,以電磁輻射的方式從核心通過輻射層、對流層到達太陽表面,然後輻射到了太空。

這個能量有多大呢?愛因斯坦的質能方程給出了答案。質能方程表達式為:E=MC^2,這裡的E為能量,M為質量,C為光速。質能方程揭示了質量和能量的等價互換關係,是人類對物質與能量認識的一個大飛躍。

根據質能方程,可以計算出太陽每秒鐘可產出能量3.78*10^26J(焦耳)。這是多大的能量呢?每噸TNT烈性炸藥爆炸的當量為4180000000J,太陽每秒鐘釋放的能量約相當於9億億噸炸藥同時爆炸的能量。全世界核彈總當量也不到100億噸,也就是說太陽1秒鐘釋放的能量相當地球所有核彈全部爆炸的900萬倍。

  • 太陽壽終正寢時,是不是燃料耗盡了呢?

乾脆地說,完全不是。太陽燃燒100億年,遠遠燒不完其本身的氫燃料。我們現在按照太陽壽命100億年,並且按照科學家們給出的現在燃燒速率簡單計算一下就知道了。

太陽每秒鐘有420萬噸質量轉化為能量,也就是虧損了420萬噸質量。 1個天文年(儒略年)為31557600秒,100億年就消耗了約1.3*10^27kg,只佔太陽總質量的約0.00066,萬分之七不到;如果按太陽每秒有6億噸氫轉化為氦,那麼100億年消耗氫約為1.9*10^29kg,只佔太陽總質量的10%左右。

因此可以看出,在太陽死亡時,其燃料還很充足,因此其死亡不是燒完了氫,而是整體演化機制的突變導致的。

這是因為參與太陽核聚變的燃料主要集中在其核心0.25半徑的區域,當這個區域的燃料燒得差不多的時候,核聚變就會熄滅。沒有了輻射的巨大張力抵禦引力壓力,恆星物質就會向核心坍縮,由此導致更高的溫度和壓力,引發已經聚變生成並積聚在核心的氦核聚變。

氦核聚變結束後又坍縮,導致以後一系列核聚變,最終到碳結束。太陽這樣質量的恆星,核心不具備啟動碳核聚變的壓力和溫度,因此太陽到此就走到了生命的盡頭,留下了一個緻密的碳核遺骸。

  • 恆星演化大致都是如此,但質量不同結果不同。

比太陽質量大的恆星可以一路聚變下去,只有大於太陽質量8倍以上的恆星,才能聚變到鐵核結束。因為鐵核是最穩定的元素,無論是核裂變還是核聚變都無法產生能量,而是需要消耗能量,任何恆星演化後期也無法提供這種能量,由此任何恆星最終核心核聚變到鐵就結束了。

但大質量恆星比太陽劇烈很多的坍縮壓會導致核心熱核失控,因此引起超新星大爆發,硝煙散儘後根據質量大小,核心會留下一個中子星或黑洞。一般認為大於太陽質量8倍以上的恆星,大爆炸後核心會留下一個大於太陽質量1.44倍,小於太陽質量3倍左右的中子星;太陽質量30~40倍以上的恆星,大爆炸後核心會留下一個太陽質量3倍以上的黑洞。

所有的恆星演化在完成一個生命週期後,所消耗的氫燃料都不多,多餘的氫和氦都通過各種方式回歸了太空,這些殘留的細小物質又會形成新的分子云,醞釀著下一次恆星的形成。這就是宇宙歷經了138億年的演化,氫氦元素依然佔著絕對豐度,其餘元素加起來也不過在1%左右的原因。

而這1%左右的重元素,都是恆星核聚變、超新星大爆發、中子星碰撞等天體演化中得來的,沒有這些,就沒有生命和文明的誕生。

今天就說到這,感謝閱讀,歡迎討論。碼字不易,如喜歡我的文章就請給個點贊和關注吧,謝啦。

時空通訊原創版權,侵權抄襲是不道德的行為,敬請理解合作。