天文科普:太陽能量從何而來,燃料會不會耗盡,變得越來越小最後熄滅?
來源:時空通訊
發布時間:2021-09-15
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從(cong) 某種意義(yi) 上來說,整個(ge) 太陽能量是永遠也耗不盡的。科學家說太陽壽命約100~110億(yi) 年,是根據太陽這種質量恒星,核心壓力和溫度導致的核聚變速度,從(cong) 而計算出消耗燃料的速度,多久會(hui) 讓核心部分的氫燃料消耗殆盡,從(cong) 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(hui) 停止,由此主序星階段結束,進入不穩定的演化後期。

注意,這裏說的是“太陽核心”的能量耗盡,而不是整個(ge) 太陽的能量耗盡了。研究認為(wei) ,太陽的核聚變發生在太陽半徑四分之一的核心處,也就是隻占了太陽這個(ge) 巨球的核心一小部分,用的也僅(jin) 僅(jin) 是那個(ge) 區域的燃料。

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。也就是由於(yu) 恒星巨大的質量形成的引力向心壓力,導致核心部分形成約1500萬(wan) 度,3000億(yi) 個(ge) 地球海平麵大氣壓的高溫高壓狀態,在這種狀態下,氫原子核外電子被驅離,裸露的氫原子核與(yu) 核之間發生劇烈碰撞而融合,持續進行著4個(ge) 氫核融合成一個(ge) 氦核的過程。

這就是所謂核聚變。在這個(ge) 過程,會(hui) 發生約0.7%的質量虧(kui) 損,正是這點質量轉化為(wei) 能量,以電磁輻射的方式從(cong) 核心通過輻射和對流,來到太陽表麵,再以光和熱的方式釋放到太空。這個(ge) 能量有多大呢?科學家經過對太陽的光譜觀測分析和計算,得出像太陽這種質量的恒星,每秒鍾消耗的氫約6億(yi) 噸,轉化為(wei) 約5.958億(yi) 噸的氦,虧(kui) 損了0.7%的質量就是420萬(wan) 噸/s(秒)。

這個(ge) 能量有多大呢?根據愛因斯坦質能方程E(能量)=M(質量)*C^2(光速平方),420萬(wan) 噸質量可以轉化為(wei) 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(yi) 分之一,約1.72*10^17J/s的能量,相當於(yu) 1000萬(wan) 座三峽大壩源源不斷發電總量。

太陽核心巨大能量輻射壓,抵禦住了自身巨大質量形成的向心引力壓,形成了一個(ge) 平衡,讓太陽穩定源源不斷地燃燒了46億(yi) 年,還能燃燒54億(yi) ~64億(yi) 年,這就是太陽的主序星階段。那麽(me) 太陽一生能夠燒掉多少氫呢?總共虧(kui) 損了多少質量,占太陽整個(ge) 質量的比重是多少呢?

我們(men) 可以簡單計算一下:太陽總體(ti) 積約1.41*10^18km^3(立方千米),太陽核聚變隻是在太陽半徑核心1/4處進行,這部分體(ti) 積約為(wei) 2.2*10^16km^3,因此使用的燃料體(ti) 積隻占太陽總體(ti) 積的約1.6%。由於(yu) 核心在高壓下密度比表層大很多,因此實際質量比重遠遠大於(yu) 體(ti) 積比重。

太陽每秒鍾燒掉6億(yi) 噸氫,質量虧(kui) 損420萬(wan) 噸。1年31557600秒,我們(men) 按照110億(yi) 年計算,就是約3.471336*10^17s,要燒掉約2.08*10^29kg的氫,虧(kui) 損質量約1.46*10^27kg。

太陽總質量為(wei) 1.9891*10^30kg,燒了110億(yi) 年燒掉的氫占太陽總質量的10.46%,虧(kui) 損的質量占太陽總質量的0.0734%。太陽總質量裏麵,氫約占有75%,即便按照太陽氫的總質量計算,110億(yi) 年也僅(jin) 僅(jin) 用了太陽總氫量的不到14%。

太陽在110億(yi) 年壽命的整個(ge) 階段,燃燒的速率和消耗量並不完全是一樣的,前期會(hui) 慢一些,後期會(hui) 快一些,但大致可以按照這個(ge) 平均數來計算。這樣我們(men) 可以看出,太陽一直到壽終正寢,並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(wei) 啥會(hui) 死亡呢?這是由於(yu) 恒星演化規律所致。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(wei) 恒星形成時期以及演化末期,都極不穩定,時間也較短,因此,一般壽命就是指其主序星時間段。

恒星的壽命受質量製約,質量越大壽命越短,反之越長。紅矮星壽命最長,可達數百億(yi) 年乃至數千億(yi) 年數萬(wan) 億(yi) 年。宇宙誕生才138億(yi) 年,因此迄今還沒有一顆紅矮星進入中老年,更別說死亡了。大質量恒星有的隻有幾百萬(wan) 年壽命,如r136a1這顆迄今被人們(men) 認為(wei) 已知最大質量恒星,質量有太陽的200多倍,預測其壽命隻有約300萬(wan) 年。

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

不同質量恒星死亡後留下的殘骸也不一樣,有的被爆炸得什麽(me) 也沒有,有的會(hui) 留下一個(ge) 屍骸。太陽死後會(hui) 留下一顆白矮星,有些大質量恒星會(hui) 留下一顆中子星或黑洞。這不是本文討論的範疇,有興(xing) 趣者可以查閱我過去發的文章,在此就不贅述了。


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