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太阳能量从何而来,燃料会不会耗尽,变得越来越小最后熄灭?

从某种意义上来说,整个太阳能量是永远也耗不尽的。科学家说太阳寿命约100~110亿年,是根据太阳这种质量恒星,核心压力和温度导致的核聚变速度,从而计算出消耗燃料的速度,多久会让核心部分的氢燃料消耗殆尽,从而得出其寿命的。

所有恒星都是消耗完核心的氢燃料,氢核聚变就会停止,由此主序星阶段结束,进入不稳定的演化后期。

注意,这里说的是“太阳核心”的能量耗尽,而不是整个太阳的能量耗尽了。研究认为,太阳的核聚变发生在太阳半径四分之一的核心处,也就是只占了太阳这个巨球的核心一小部分,用的也仅仅是那个区域的燃料。

太阳能量来源

太阳的能量像所有恒星一样,都是来自核心的氢核聚变。也就是由于恒星巨大的质量形成的引力向心压力,导致核心部分形成约1500万度,3000亿个地球海平面大气压的高温高压状态,在这种状态下,氢原子核外电子被驱离,裸露的氢原子核与核之间发生剧烈碰撞而融合,持续进行着4个氢核融合成一个氦核的过程。

这就是所谓核聚变。在这个过程,会发生约0.7%的质量亏损,正是这点质量转化为能量,以电磁辐射的方式从核心通过辐射和对流,来到太阳表面,再以光和热的方式释放到太空。这个能量有多大呢?科学家经过对太阳的光谱观测分析和计算,得出像太阳这种质量的恒星,每秒钟消耗的氢约6亿吨,转化为约5.958亿吨的氦,亏损了0.7%的质量就是420万吨/s(秒)。

这个能量有多大呢?根据爱因斯坦质能方程E(能量)=M(质量)*C^2(光速平方),420万吨质量可以转化为能量约3.78*10^26J(焦耳)/s的能量,地球在茫茫太空中能够承接其中的22亿分之一,约1.72*10^17J/s的能量,相当于1000万座三峡大坝源源不断发电总量。

太阳核心巨大能量辐射压,抵御住了自身巨大质量形成的向心引力压,形成了一个平衡,让太阳稳定源源不断地燃烧了46亿年,还能燃烧54亿~64亿年,这就是太阳的主序星阶段。那么太阳一生能够烧掉多少氢呢?总共亏损了多少质量,占太阳整个质量的比重是多少呢?

我们可以简单计算一下:

太阳总体积约1.41*10^18km^3(立方千米),太阳核聚变只是在太阳半径核心1/4处进行,这部分体积约为2.2*10^16km^3,因此使用的燃料体积只占太阳总体积的约1.6%。由于核心在高压下密度比表层大很多,因此实际质量比重远远大于体积比重。

太阳每秒钟烧掉6亿吨氢,质量亏损420万吨。1年31557600秒,我们按照110亿年计算,就是约3.471336*10^17s,要烧掉约2.08*10^29kg的氢,亏损质量约1.46*10^27kg。

太阳总质量为1.9891*10^30kg,烧了110亿年烧掉的氢占太阳总质量的10.46%,亏损的质量占太阳总质量的0.0734%。太阳总质量里面,氢约占有75%,即便按照太阳氢的总质量计算,110亿年也仅仅用了太阳总氢量的不到14%。

太阳在110亿年寿命的整个阶段,燃烧的速率和消耗量并不完全是一样的,前期会慢一些,后期会快一些,但大致可以按照这个平均数来计算。这样我们可以看出,太阳一直到寿终正寝,并不是所有能量耗尽了,能量还充足得很呢。

既然还有很多燃料,恒星为啥会死亡呢?

这是由于恒星演化规律所致。所有的恒星主序星时间都是最长的,约占恒星总寿命的90%以上。因为恒星形成时期以及演化末期,都极不稳定,时间也较短,因此,一般寿命就是指其主序星时间段。

恒星的寿命受质量制约,质量越大寿命越短,反之越长。红矮星寿命最长,可达数百亿年乃至数千亿年数万亿年。宇宙诞生才138亿年,因此迄今还没有一颗红矮星进入中老年,更别说死亡了。大质量恒星有的只有几百万年寿命,如r136a1这颗迄今被人们认为已知最大质量恒星,质量有太阳的200多倍,预测其寿命只有约300万年。

不同质量的恒星都是因为核心的氢燃烧殆尽,其实外围还要很多氢,但这些氢不会到中心去参与核聚变,在死亡时会通过膨胀慢慢消散到太空,或者超新星爆发被炸散到太空,回归自然,成为再生星云,下一次恒星诞生的原材料。

不同质量恒星死亡后留下的残骸也不一样,有的被爆炸得什么也没有,有的会留下一个尸骸。太阳死后会留下一颗白矮星,有些大质量恒星会留下一颗中子星或黑洞。这不是本文讨论的范畴,有兴趣者可以查阅我过去发的文章,在此就不赘述了。

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