太陽在過去46億年裡已經燃燒掉多少質量?

太陽在過去46億年裡已經燃燒掉多少質量?

自從太陽誕生到現在的46億年,太陽一直在“燃燒”,那麼,太陽已經被用了多少了呢?

關於太陽被利用了多少這個問題,真是一個非常有趣的問題,而且如果深究細節的話,還是一個非常難回答的問題。下面,通過簡單的計算來估算太陽已經消耗了多少。

首先,需要知道太陽的輻射功率,即太陽每秒鐘釋放出的能量,這個參數也被稱之為太陽光度。據估計,太陽的輻射功率大約為3.846×10^26瓦。這個巨大的數字意味著太陽內部存在一個強大的能量源,它需要消耗大量的物質。

太陽在過去46億年裡已經燃燒掉多少質量?

此前,人們並不知道太陽是如何發光發熱的。直到20世紀初,愛因斯坦從狹義相對論中推導出質能方程之後,人們才逐漸瞭解這能量源背後的機制——氫核聚變。當較輕的氫原子結合產生較重的氦原子之時,這個過程中會虧損一部分質量,由此釋放出巨大的能量。這個過程只會發生在太陽的中心區域,因為只有那裡的溫度和壓力才足以使核聚變反應發生。

在恆星內部,氫原子核會通過兩種方式聚變為氦原子核。對於太陽這樣的中低質量恆星,氫核聚變的主要機制是質子-質子鏈反應(另一種機制是碳氮氧循環)。然而,就算是質子-質子鏈反應也有很多類型。如果忽略這些反應的細節,在質子-質子鏈反應的整個過程中,就是四個氫原子核(質子)結合形成一個氦原子核。

太陽在過去46億年裡已經燃燒掉多少質量?

如果用數學計算,反應物和產物的質量總和將會差別,並非是守恆的。四個氫原子核的質量為6.690×10^-27千克,而一個氦原子核的質量為6.644×10^-27千克,兩者之間的質量差為Δm=4.624×10^-29千克。根據質能方程:E=Δmc^2,質量和能量是等價的、可互相轉換的,所以核聚變丟失的質量將會轉化為能量。把這個質量差代入愛因斯坦方程,就會得到E=4.162×10^-12焦耳的能量,這是每一次質子-質子鏈反應所釋放的能量。

再結合太陽的輻射功率,即每秒釋放出的能量,可以計算出太陽內部每秒會進行9.242×10^37次質子-質子鏈反應。由於每條核聚變反應都會損失相同的質量,那麼,兩者相乘會得到質量損失的速率,這樣算出太陽每秒消耗的質量為4.27×10^9千克,即427萬噸。這看起來是一個非常大的數據,但是這當然只是以人類的標準相較而言,如果相對於太陽的總質量2×10^30千克(2000億億億噸)而言,就只是很小的一部分。

太陽在過去46億年裡已經燃燒掉多少質量?

​上面我們已經計算出太陽每秒消耗的質量,再根據太陽的年齡,就能計算出太陽。太陽形成已經有46億年,把這個時間乘以質量損失率,就會得到太陽總的質量損失值為6.20×10^26千克。再次強調,這雖然有100個地球的質量那麼多,但也只是太陽總質量的萬分之三,即0.03%。

由於上述計算對核聚變反應過程的過度簡化,可能會導致低估丟失的質量。為了得到氫到氦的轉變,在此之前必須要發生很多其他的反應,這樣的反應也會丟失質量,因此產生了能量,這整個過程是不在計算之內的。此外,太陽風還會損失一部分的質量。但總的來說,太陽在過去46億年裡“燃燒”掉的質量只有太陽總質量的很小一部分。按照這樣的速率,太陽核心區域中的氫燃料還能再夠“燃燒”50億年。


分享到:


相關文章: