天文科普:太陽能量從何而來,燃料會不會耗盡,變得越來越小最后熄滅?
來源:時空通訊
發(fā)布時間:2021-09-15
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從某種意義上來說,整個太陽能量是永遠也耗不盡的??茖W(xué)家說太陽壽命約100~110億年,是根據(jù)太陽這種質(zhì)量恒星,核心壓力和溫度導(dǎo)致的核聚變速度,從而計算出消耗燃料的速度,多久會讓核心部分的氫燃料消耗殆盡,從而得出其壽命的。

所有恒星都是消耗完核心的氫燃料,氫核聚變就會停止,由此主序星階段結(jié)束,進入不穩(wěn)定的演化后期。

注意,這里說的是“太陽核心”的能量耗盡,而不是整個太陽的能量耗盡了。研究認(rèn)為,太陽的核聚變發(fā)生在太陽半徑四分之一的核心處,也就是只占了太陽這個巨球的核心一小部分,用的也僅僅是那個區(qū)域的燃料。

太陽能量來源太陽的能量像所有恒星一樣,都是來自核心的氫核聚變。也就是由于恒星巨大的質(zhì)量形成的引力向心壓力,導(dǎo)致核心部分形成約1500萬度,3000億個地球海平面大氣壓的高溫高壓狀態(tài),在這種狀態(tài)下,氫原子核外電子被驅(qū)離,裸露的氫原子核與核之間發(fā)生劇烈碰撞而融合,持續(xù)進行著4個氫核融合成一個氦核的過程。

這就是所謂核聚變。在這個過程,會發(fā)生約0.7%的質(zhì)量虧損,正是這點質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量,以電磁輻射的方式從核心通過輻射和對流,來到太陽表面,再以光和熱的方式釋放到太空。這個能量有多大呢?科學(xué)家經(jīng)過對太陽的光譜觀測分析和計算,得出像太陽這種質(zhì)量的恒星,每秒鐘消耗的氫約6億噸,轉(zhuǎn)化為約5.958億噸的氦,虧損了0.7%的質(zhì)量就是420萬噸/s(秒)。

這個能量有多大呢?根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程E(能量)=M(質(zhì)量)*C^2(光速平方),420萬噸質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量約3.78*10^26J(焦耳)/s的能量,地球在茫茫太空中能夠承接其中的22億分之一,約1.72*10^17J/s的能量,相當(dāng)于1000萬座三峽大壩源源不斷發(fā)電總量。

太陽核心巨大能量輻射壓,抵御住了自身巨大質(zhì)量形成的向心引力壓,形成了一個平衡,讓太陽穩(wěn)定源源不斷地燃燒了46億年,還能燃燒54億~64億年,這就是太陽的主序星階段。那么太陽一生能夠燒掉多少氫呢?總共虧損了多少質(zhì)量,占太陽整個質(zhì)量的比重是多少呢?

我們可以簡單計算一下:太陽總體積約1.41*10^18km^3(立方千米),太陽核聚變只是在太陽半徑核心1/4處進行,這部分體積約為2.2*10^16km^3,因此使用的燃料體積只占太陽總體積的約1.6%。由于核心在高壓下密度比表層大很多,因此實際質(zhì)量比重遠遠大于體積比重。

太陽每秒鐘燒掉6億噸氫,質(zhì)量虧損420萬噸。1年31557600秒,我們按照110億年計算,就是約3.471336*10^17s,要燒掉約2.08*10^29kg的氫,虧損質(zhì)量約1.46*10^27kg。

太陽總質(zhì)量為1.9891*10^30kg,燒了110億年燒掉的氫占太陽總質(zhì)量的10.46%,虧損的質(zhì)量占太陽總質(zhì)量的0.0734%。太陽總質(zhì)量里面,氫約占有75%,即便按照太陽氫的總質(zhì)量計算,110億年也僅僅用了太陽總氫量的不到14%。

太陽在110億年壽命的整個階段,燃燒的速率和消耗量并不完全是一樣的,前期會慢一些,后期會快一些,但大致可以按照這個平均數(shù)來計算。這樣我們可以看出,太陽一直到壽終正寢,并不是所有能量耗盡了,能量還充足得很呢。

既然還有很多燃料,恒星為啥會死亡呢?這是由于恒星演化規(guī)律所致。所有的恒星主序星時間都是最長的,約占恒星總壽命的90%以上。因為恒星形成時期以及演化末期,都極不穩(wěn)定,時間也較短,因此,一般壽命就是指其主序星時間段。

恒星的壽命受質(zhì)量制約,質(zhì)量越大壽命越短,反之越長。紅矮星壽命最長,可達數(shù)百億年乃至數(shù)千億年數(shù)萬億年。宇宙誕生才138億年,因此迄今還沒有一顆紅矮星進入中老年,更別說死亡了。大質(zhì)量恒星有的只有幾百萬年壽命,如r136a1這顆迄今被人們認(rèn)為已知最大質(zhì)量恒星,質(zhì)量有太陽的200多倍,預(yù)測其壽命只有約300萬年。

不同質(zhì)量的恒星都是因為核心的氫燃燒殆盡,其實外圍還要很多氫,但這些氫不會到中心去參與核聚變,在死亡時會通過膨脹慢慢消散到太空,或者超新星爆發(fā)被炸散到太空,回歸自然,成為再生星云,下一次恒星誕生的原材料。

不同質(zhì)量恒星死亡后留下的殘骸也不一樣,有的被爆炸得什么也沒有,有的會留下一個尸骸。太陽死后會留下一顆白矮星,有些大質(zhì)量恒星會留下一顆中子星或黑洞。這不是本文討論的范疇,有興趣者可以查閱我過去發(fā)的文章,在此就不贅述了。


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