每秒消耗500万吨物质,已经持续46亿年,太阳为何还没烧完?

人类伴随着太阳东升西落,日出而作日落而息已经成为人类的生活习惯,太阳不仅仅对于人类必不可少,地球上的所有生命都受惠于太阳的发光发热,也可以说有了太阳才有地球上的生机勃勃。

地球上来看太阳就像是勤劳一丝不苟的打工人,每天按时上班升起,按时下班落山,46亿年了一直如此。而从更加广阔的视角来看,地球绕太阳公转,没有一刻停止,地球的自转和公转给地球带来了昼夜和四季更替。在大部分人的印象中,太阳就是一个燃烧着发光发热永不熄灭的大火球,但实际上太阳作为一颗恒星,它的发光发热并非燃烧,而是更加深层次的能量释放过程。

燃烧需要可燃物氧气,是完全的化学过程,而太阳的发光发热并不属于化学过程,而是原子层次的核聚变,人类利用核聚变只制造过氢弹,这是比原子弹威力还要大的能量释放形式。

太阳内核在“燃烧”

恒星是宇宙中最常见的天体,同样也是能量的主要来源,任何诞生生命的天体都离不开中心恒星的能量供应。太阳是我们恒星系的中心天体,周围有包括地球在内的八大行星以及小行星带,每颗行星都有自己的卫星。更远处是柯伊伯带天体,目前NASA的新视野号探测器正在柯伊伯带执行探测任务。

太阳的边界主流科学认为是奥尔特云,那里是一片冰冻的世界,存在大量的长周期彗星,大部分都是形成于太阳系初期。太阳就是这个世界的主宰者,直径2-3光年的太阳系都依靠太阳的发光发热。

作为一颗恒星主要是由氢气构成,经过46亿年的“燃烧”,目前占比75%,剩下的主要都是氦,而例如氧碳等元素加起来不足2%。

太阳的核聚变主要发生在内核,这是一个由太阳中心点到0.2倍半径构成的区域。这里被认为是太阳内温度最高的区域,是个理想化的球体。核聚变发生需要满足必要的条件,首先是温度足够高,科学家推测其内部温度可高达1500万开尔文,对比来看太阳表面温度仅为6000开尔文,而密度可以达到水的150倍以上。

太阳核聚变本质上是让氢核融合成为氦核,当温度足够高分子热运动足够剧烈,有利于氢核的碰撞。而压力足够高,意味着密度大,氢核之间的碰撞几率增大,有利于核聚变的发生。

科学家计算太阳内核内每秒钟会有6亿吨氢核聚变生成5.95亿吨氦,整个反应过程损失500万吨质量。这些质量按照爱因斯坦的质能方程全部转化为能量,以光和热的形式反馈给整个太阳系。

这个过程已经持续46亿年之久,根据太阳的质量推算太阳还将持续发光发热50亿年。届时太阳内核处的氦核密度超过临界点,会发生氦核聚变,一瞬间释放出巨大的能量,可能会彻底地摧毁四颗岩石行星,把四颗气态巨行星推离原轨道,这也是刘慈欣《流浪地球》的科学背景。

太阳的核聚变为何持续如此之久?

太阳内核的氢燃料较多,自然就可以漫长的“燃烧”了,目前的问题是为何太阳的核聚变不会像地球上的氢弹一样瞬间引爆?实际上太阳的核聚变我们通常喜欢在前边加上“可控”二字,指的是一个可控核聚变过程。

太阳核聚变的过程会向外有一个膨胀的力,而太阳自身的物质会因为引力塌陷作用下内伸缩,就这样两个力的效果会有一个平衡点。首先是当核聚变速率加快,膨胀的力较大,这种情况下太阳内核处会膨胀粒子间距自然变大,因此核聚变速率变慢。

这种情况在在太阳自身的引力塌陷下,会向内压缩,这样有利于太阳内核聚变的发生,因此核聚变速率变快。这样的动态平衡过程非常类似于“一呼一吸”,保证太阳核聚变平稳进行,还可以持续50亿年之久。

说在最后

理论上来讲太阳还可以进行核聚变59亿年左右,但实际上在30亿年以后太阳就会逐渐向红巨星转变,释放的能量越来越多,在地球上接收到的太阳辐射能自然也就多了起来。这也意味着地球上平均温度的升高,因此各个国家对于火星还是比较关注的,毕竟随着太阳越来越热,移居带会向外移动,未来火星移民不失为一个好办法。

文/科学黑洞,图片来源网络侵删。