太陽燃燒幾十億年了,虧損那麼多的質量,為何沒見變小呢?

用戶110322627324 發佈 2020-08-05T02:35:23+00:00

太陽是我們太陽系絕對的老大,其質量占到了整個太陽系總質量的99.86%。由於太陽每時每刻都在依靠著氫核聚變為氦的過程提供能量源泉,也在此過程中不斷虧損著質量,但是為何太陽的大小沒有發生明顯改變呢?

太陽是我們太陽系絕對的老大,其質量占到了整個太陽系總質量的99.86%。太陽依靠著內部的核聚變,向外界釋放源源不斷的光線和熱量,「溫暖」著整個太陽系,並且為地球生命的形成和演化創造了最基礎的光熱條件。由於太陽每時每刻都在依靠著氫核聚變為氦的過程提供能量源泉,也在此過程中不斷虧損著質量,但是為何太陽的大小沒有發生明顯改變呢?

太陽的「前世」

其實每個恆星的形成和演化歷史,和生命的誕生、成長和衰亡過程異曲同工,都是在孕育中醞釀、在一個臨界點激活、在發展中消耗、在沉寂中死亡。根據科學家們推測,在現在太陽所處的空間區域,原本存在著大量星雲物質,其成分主要以氫氣為主,另外還包含一定量的氦氣、氮氣、星際塵埃和一些電離氣體,而這些星雲物質的來源,科學家們認為主要有2個來源和2種驅動力,其中2個來源分別是:

宇宙大爆炸之後,形成了眾多由星際塵埃和輕氣體物質,隨著宇宙膨脹在宇宙空間中均勻分布,這些物質成為以後宇宙中各種天體組成的基礎物質來源。

上一任恆星生命晚期的產物,一方面是大質量的恆星最終爆發噴出的物質,一方面是較小質量的恆星在生命晚期殘留的氣殼物質。

而2個驅動力則是:

其一是宇宙大爆炸之後的冷卻,使得宇宙中的輻射環境從高能輻射慢慢趨於微波背景輻射,較輕的氣體元素氫核與氦核隨著溫度的降低,逐漸形成原子結構,局部區域的氣體物質微觀粒子之間的引力不斷增強,超過宇宙膨脹的壓力之後慢慢地呈聚集態。

其二是相對密集的星雲物質,在附近有大質量恆星的引力波動影響下,比如超新星爆發,星雲的組成物質之間開始進行頻率很高的碰撞和摩擦,使得某些區域星雲物質密度越來越高。

正是在以上條件和驅動力的基礎之上,太陽形成之前區域的星雲物質越聚集越多,形成了密度相對最大、溫度逐漸提升的核心,然後周圍的星際物質開始圍繞著這個核心旋轉,在旋轉的同時,距離較近的星際物質在核心引力的吸引下,被吸進核心區域,從而使得核心的質量和溫度越來越高,形成了推動核心區質量越來越大的良性循環。

太陽因核聚變不斷虧損著質量

在以上形成的太陽「胚胎」的基礎上,由這個核心的質量引發的越來越大的萬有引力,最終將當時處於太陽系範圍之內的絕大星際物質都吸入了她的懷抱。而在此之前,決定著太陽能夠成為恆星有一個關鍵的臨界點,那就是觸發核聚變的臨界點。通過科學家們的測算,當恆星初始狀態的內核升溫達到700萬-1000萬攝氏度時,就會激發組成物質中的最輕元素氫發生核聚變反應,由兩個氫原子聚合成一個氦原子,同時釋放兩個正電子,在此過程中發生了極小的質量虧損,虧損的質量約為0.031u,按照愛因斯坦質能議程,所釋放的能量為E=mc^2=2.8*10^7電子伏特,合4.6*10^(-12)焦耳。

接下來,科學家們通過太陽、地球之間的萬有引力相互關係,測算出太陽的總質量為1.989*10^30千克,然後再依據太陽的年齡、質量的綜合分析,測算出氫元素在太陽內核中的比例約為70%,折算出太陽每秒中參與核聚變的氫總量為7億噸,而經過核聚變每秒損失的質量要比這個低很多,而且與太陽的總質量相比可以忽略不計,但是將時間放長到46億,那麼太陽損失的質量就很可觀了,差不到近100個地球或者1個土星的質量。

太陽在演化過程中兩種力量持續在進行對抗

太陽內核每時每刻都在進行著劇烈的核聚變,這種能量的釋放是非常世大的,我們現在所進行的可控核聚變,正是想模擬太陽內部的核聚變原理,通過高溫的方式推動氫元素的核聚變,從而獲取巨量的能量輸出,但是「人造太陽」要實現的難度很大,主要原因就是這個反應需要的溫度很高,而且壓力要非常大,在短期內我們想要創造約束性的聚變環境很難。

而我們看到太陽在這麼強的聚變以及能量釋放過程中始終保持穩定,得益於兩種力量的平衡,這兩個力量即恆星輻射壓以及恆星本身的重力。在恆星進入主序期以後,在內核發生核聚變的同時,向外釋放著輻射壓力,推動著恆星體積有向外膨脹的趨勢,同時阻止星際物質的進一步吸收。而恆星本身的重力,源於萬有引力作用,使得恆星外部物質都有著向內部塌縮的趨勢。這兩種力的拉鋸過程,使恆星始終處於一個周而復始的循環狀態,這個循環的主要階段是:

隨著內部核聚變的持續進行,恆星內核溫度升高;

向外的輻射壓增大,體積向外膨脹;

參與聚變的原料數量減少,核聚變程度減弱;

溫度降低,輻射壓降低,重力作用占據上峰;

恆星外層出現引力塌縮,恆星體積減小;

體積的減小,使內核壓力增大,推動核聚變效率重新提升;

恆星溫度上升,體積膨脹;

………………

以上過程的持續,是恆星普遍發生的短周期變化,正是在由核聚變和自身重力兩個力量的對抗下,組成恆星的物質受到一種動態的力平衡,因此我們看到的處於主序期內的恆星體積並不會發生太大變化。

太陽的「歸宿」

而在10億年之後,隨著太陽內部氫元素的持續消耗,參與核聚變反應的原料將越來越處於告急狀態,這個時候內核溫度緩慢下降,太陽先開始出現明顯的引力塌縮,然後在壓力急劇增大的同時,激發氦的核聚變,然後釋放更強大的輻射壓,推動太陽外層物質快速向外膨脹,於是開始向著紅巨星的方向發展。待到40-50年之後,由太陽形成的紅巨星正式形成,達到體積最大,其外圍已經吞噬到火星的軌道,直接逼近地球。

此後,由於氦的核聚變過程較氫要迅速得多,太陽在形成紅巨星之後僅能持續2-3億年,而太陽的質量不能支持後續的核聚變,所以此後太陽內部的核聚變將會逐漸停止,引力塌縮效應使得太陽體積迅速收縮,形成白矮星,靜靜地在宇宙中散發最後的餘溫,最後沉寂形成黑矮星,完成它壯烈而又燦爛的一生。

總結一下

太陽內部雖然持續在進行著大量氫的核聚變反應,每時每刻都在虧損著質量,但是由於太陽本身存在著向外的輻射壓和向內的重力兩種力量的對抗,使得表層始終處於一種動態的平衡狀態,在太陽的主序期以內是看不到比較明顯的體積變化的。

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