为什么太阳能够燃烧百亿年?

太阳的质量大约是2×10∧30千克,相当于33.3万个地球,它的质量占整个太阳系的99.86%。

为什么太阳能够燃烧百亿年?

图:太阳与其他行星的比较

太阳的燃烧是通过核聚变反应释放的能量,它每分钟将6.2亿吨的氢聚变成氦,这个过程大约损失0.7%的质量,约434万吨质量。并释放出约9.2亿亿吨TNT炸药爆炸产生的能量,相当于18.4亿个目前最大的氢弹同时爆炸。即使是这样,在过去45.7亿年里,也只损失了100个地球的质量。

为什么太阳的核聚变反应不在整个太阳中同时发生呢?

核聚变反应的启动条件需要极高的压力和温度。太阳的表面温度约为5800K,核心温度为1360万K,且核心的物质密度达到了每立方厘米150克,所以只有在太阳的核心才会发生核聚变。

为什么太阳能够燃烧百亿年?

图:太阳结构

太阳的核心大约为半径的1/5~1/4以内。太阳产生热量的99%来自于24%的半径以内,核聚变反应在半径30%处几乎就停止了。所以,核聚变反应功率随着离核心的距离增大而减小。

在太阳核心处的核反应是一个动态平衡的过程,压力增大,核反应速率加快,辐射压就会抵消掉部分压力,核反应的速率就会降低。核反应速率降低后,压力就会增大……如此反复,达到一个平衡状态。

为什么太阳能够燃烧百亿年?

图:红巨星与太阳

即使是整个太阳的主序星阶段也无法将全部的氢燃烧完。它只会将核心处的氢核聚变为氦。大约在50亿年后,由于核心的氢已燃烧完,太阳会向内收缩,核心处的压力增大,氦核的温度上升,紧挨着氦核处的氢聚变反应的速率大大增加。产生大量的热量,热量迫使太阳膨胀,这时太阳变成了红巨星。它的半径将达到地球的轨道,很可能将地球吞噬。也有可能因为剧烈的太阳风的原因,会损失掉大约30%的质量,地球的轨道会向太阳系边缘移动,即使是这样,地球也会被烤干并失去大部分的大气。

为什么太阳能够燃烧百亿年?

图:太阳的演化过程

太阳核心的温度会持续增加,当温度达到1亿开时,就启动了氦的核聚变。氦的核聚变会生成碳。当氦全部转变成碳后,太阳就不再核聚变了。

在太阳的红巨星阶段,剧烈的热脉动会导致外层的气体逃逸,并形成行星状星云。这时就只剩下碳核心。这就是白矮星阶段。白矮星会在以后的数十亿年间慢慢冷却,成为黑矮星,直到宇宙的末日。

地球上的生命是等不到太阳变成红巨星这一天的。由于太阳的光度每过10亿年会增加10%,地球在10亿年后,地表水就会全部被蒸发,绝大部分生物会灭绝。所以,留给人类的时间只有几亿年了,在这之前,我们必须移居到离太阳较远的火星之上,并在太阳成为红巨星时,移居到更远的木星的卫星处。再以后,就必须离开太阳系了,因为太阳会在红巨星阶段发生多次氦闪,每次释放出的能量相当于主序星阶段的1000亿个太阳在那一瞬间释放出的能量。


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