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太阳天天烧,为啥总也烧不完,到了末日是燃料耗尽了吗?

太阳不停地烧呀烧,发出巨大的光和热,这要多大的燃料消耗啊。可太阳已经烧了50亿年,怎么就老烧不完呢?据说太阳还有50亿年就寿终正寝了,是不是那时太阳的燃料耗尽了呢?

很多朋友有这种疑问,今天就通俗地讨论一下这个话题,希望能给朋友们解惑。

太阳末日

科学家们早就为太阳算了命,像太阳这样的黄矮星寿命大概约100亿年,现在太阳已经46亿岁了,大概还有50几亿年的寿命。像太阳这种质量的黄矮星,死亡前会回光返照,膨胀成一个巨大的红巨星,半径约原来的200~300倍,到了那个时候,就是太阳的末日。

红巨星的表面温度还有约3000K,在膨胀过程中,水星和金星难逃厄运,比太阳吞噬掉似乎已成定局。地球会不会被吞噬掉,有多种说法。红巨星如果膨胀200倍,现在太阳的半径约70万千米,200倍就是1.4亿千米,而地球距离太阳1.5亿千米,到时候就还有那么1000万千米距离,可能不被吞噬,但会被烤成一个烤土豆。

但太阳红巨星不可能正好膨胀半径200倍,大于200倍,地球当然就被吞噬掉了。

还有说法认为,在太阳演化后期,外层会不断释放出气体,最后太阳质量会减少到现在的60%,由于引力减弱,行星开始远离太阳,比现在的距离要扩大70%。这样地球就飘到距离太阳2.55亿千米的地方,太阳红巨星膨胀到现在直径的300倍以上才有可能吞掉地球。

太阳系的末日和走向。

太阳质量占据太阳系的99.86%,所有行星都是在太阳引力牵扯下公转,太阳一死,行星这些太阳的子子孙孙们还能存在吗?

一种个说法是,如果地球没被吞噬,那火星、木星、土星、天王星、海王星就会被留下来,不过也和死了差不多。因为太阳红巨星外围的气体会渐渐飘散在空中,最终只会留下一个致密的碳核,这个碳核体积和现在的地球差不多,但质量却有现在太阳的50%以上,因此其密度达到1吨/cm^3以上。

这就是太阳的尸骸~白矮星。白矮星的引力小了很多,且光和热已经很微弱,残留的行星们几乎都沉浸在一旁黑暗中,且会变得异常寒冷,温度接近绝对零度;而引力已经小了很多的白矮星,能牵制住已经逃远的行星吗?如果不能,这些行星就会越飘越远,最终消失在漆黑冰冷的太空,成为流浪行星。

还有一种说法,就是木星这时候的机会来了。这颗太阳系最大行星有可能会将太阳飘散到太空的物质“吃掉”,通过吸积壮大自己,当自己质量达到太阳的8%时,就能够激发核心的核聚变,成为一颗最小的恒星~红矮星。而靠近木星的火星、地球等,或许会改投新主子,围绕着这颗“自立为王”的新星旋转。

这样太阳系就成为一颗红矮星和一颗白矮星相伴的双星系统,一个新的恒星系统就形成了。这个问题我在过去有过多次分析讨论,有兴趣的朋友可以查阅我过去文章,这里就不细扯了。

恒星的寿命。

我们知道所有的恒星都主要由氢和氦元素组成,如果按体积计算,氢约占90%,氦占10%不到,其余的元素在1%左右。而所有恒星都是因为巨大的质量形成向心的引力压,让核心部分处于高温高压下,由此引发了氢核聚变。核心核聚变产生巨大的辐射压,就顶住了恒星巨大质量向心的引力压,形成了一个平衡,这样就是恒星的主序星阶段,也就是恒星最稳定占生命周期最长的主序星阶段。我们通常说太阳寿命100亿年,就是其主序星的寿命。

恒星中心源源不断的核聚变产生了巨大的能量辐射,让恒星主序星阶段稳定的发光发热,向太空源源不断的辐射着能量。那么这个能量消耗到底有多大呢?恒星要烧多久才能烧完其燃料呢?

不同的恒星核聚变的剧烈程度不一样,因此燃料消耗的速度就也不一样。基本的常识是,质量越大的恒星,核心引力压力和温度越高,因此核聚变就越剧烈,燃料燃烧就越快,寿命就越短;而越小的恒星,中心引力压力和温度就越低,核聚变就比较和缓,燃料消耗就越小,因此寿命越长。

迄今为止,人类发现质量最大的恒星是蓝特超巨星r136a1,质量是太阳的200倍以上,寿命只有300多万年;而最小的恒星红矮星,质量只有太阳的8%,寿命可达10万亿年,基本上是宇宙寿命有多长,它的寿命就有多长。

太阳核聚变产生的能量有多大?

太阳这样的黄矮星,在宇宙中约占10%左右,属于中小质量恒星,寿命在100亿年左右。科学研究认为,像太阳这种质量的恒星,其核心温度约为1500万K,压力达到3000亿个地球海平面大气压强。

在这样巨大的压力和温度下,核心一直在发生着4个氢核融合成一个氦核的聚变,每秒钟有6亿吨的氢转化为5.958亿吨的氦,这样产生了约0.7%,也就是420万吨的质量亏损。这些质量到哪里去了呢?就是转化成能量,以电磁辐射的方式从核心通过辐射层、对流层到达太阳表面,然后辐射到了太空。

这个能量有多大呢?爱因斯坦的质能方程给出了答案。质能方程表达式为:E=MC^2,这里的E为能量,M为质量,C为光速。质能方程揭示了质量和能量的等价互换关系,是人类对物质与能量认识的一个大飞跃。

根据质能方程,可以计算出太阳每秒钟可产出能量3.78*10^26J(焦耳)。这是多大的能量呢?每吨TNT烈性炸药爆炸的当量为4180000000J,太阳每秒钟释放的能量约相当于9亿亿吨炸药同时爆炸的能量。全世界核弹总当量也不到100亿吨,也就是说太阳1秒钟释放的能量相当地球所有核弹全部爆炸的900万倍。

太阳寿终正寝时,是不是燃料耗尽了呢?

干脆地说,完全不是。太阳燃烧100亿年,远远烧不完其本身的氢燃料。我们现在按照太阳寿命100亿年,并且按照科学家们给出的现在燃烧速率简单计算一下就知道了。

太阳每秒钟有420万吨质量转化为能量,也就是亏损了420万吨质量。1个天文年(儒略年)为31557600秒,100亿年就消耗了约1.3*10^27kg,只占太阳总质量的约0.00066,万分之七不到;如果按太阳每秒有6亿吨氢转化为氦,那么100亿年消耗氢约为1.9*10^29kg,只占太阳总质量的10%左右。

因此可以看出,在太阳死亡时,其燃料还很充足,因此其死亡不是烧完了氢,而是整体演化机制的突变导致的。

这是因为参与太阳核聚变的燃料主要集中在其核心0.25半径的区域,当这个区域的燃料烧得差不多的时候,核聚变就会熄灭。没有了辐射的巨大张力抵御引力压力,恒星物质就会向核心坍缩,由此导致更高的温度和压力,引发已经聚变生成并积聚在核心的氦核聚变。

氦核聚变结束后又坍缩,导致以后一系列核聚变,最终到碳结束。太阳这样质量的恒星,核心不具备启动碳核聚变的压力和温度,因此太阳到此就走到了生命的尽头,留下了一个致密的碳核遗骸。

恒星演化大致都是如此,但质量不同结果不同。

比太阳质量大的恒星可以一路聚变下去,只有大于太阳质量8倍以上的恒星,才能聚变到铁核结束。因为铁核是最稳定的元素,无论是核裂变还是核聚变都无法产生能量,而是需要消耗能量,任何恒星演化后期也无法提供这种能量,由此任何恒星最终核心核聚变到铁就结束了。

但大质量恒星比太阳剧烈很多的坍缩压会导致核心热核失控,因此引起超新星大爆发,硝烟散尽后根据质量大小,核心会留下一个中子星或黑洞。一般认为大于太阳质量8倍以上的恒星,大爆炸后核心会留下一个大于太阳质量1.44倍,小于太阳质量3倍左右的中子星;太阳质量30~40倍以上的恒星,大爆炸后核心会留下一个太阳质量3倍以上的黑洞。

所有的恒星演化在完成一个生命周期后,所消耗的氢燃料都不多,多余的氢和氦都通过各种方式回归了太空,这些残留的细小物质又会形成新的分子云,酝酿着下一次恒星的形成。这就是宇宙历经了138亿年的演化,氢氦元素依然占着绝对丰度,其余元素加起来也不过在1%左右的原因。

而这1%左右的重元素,都是恒星核聚变、超新星大爆发、中子星碰撞等天体演化中得来的,没有这些,就没有生命和文明的诞生。

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