太陽死亡時為什麼不整體收縮,而是膨脹為紅巨星?

2020-12-04 李論科學

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在地球上我們每時每刻都能感受到太陽給我們帶來的光和溫暖,有能量的釋放肯定就有物質的消耗,由於恆星所包含的物質是有限的,所以每一顆恆星都有其自己的壽命。

不過當恆星的核心消耗完物質以後,並不會靜悄悄的死去,而是會發生壯觀的能量釋放現象將整個恆星摧毀,像我們太陽質量的恆星,在末期就會膨脹成一顆紅巨星。

體積將大到足以吞沒水星和金星的軌道,甚至會到達地球軌道附近,將我們地球也吞掉,這裡的問題是,恆星末期為何會發生這種極端的現象呢?為何會變大而不是收縮死亡呢?

我們之所以稱太陽包括天上的星星為恆星,原因只在於在人類短暫的壽命裡,很難會發現天上星星的生老病死現象,但是在隨著人類科學技術的發展和觀天能力的進步,我們在宇宙中發現了大量的恆星死亡後的殘骸。

的我們所拍攝到的天體為行星狀星雲,它們都是類太陽恆星死亡後產生的,當然,在宇宙中還有一些比太陽質量更大的大質量恆星,它們死亡後會產生壯觀的超新星爆發。下圖:

蟹狀星雲,是1000年前一顆大質量恆星經過超新星爆發死亡後的殘骸,在它的中心還存在一顆中子星,不過上圖是在可見光下拍攝的,我們無法看到中子星的位置。

那麼是什麼原因讓恆星死亡的?它們為何會以這種方式死亡?這就要從恆星的工作機制說起。

恆星發光發熱的原因

以我們的太陽為例!它誕生在一片原始富含金屬的星雲中,當物質在引力的作用下開始發生積聚的時候,引力勢能就會轉化為熱能,當物質積聚到一定的質量,核心的高溫和高壓就會點燃輕元素的核聚變,將輕元素聚變為重元素釋放出能量。

一顆質量大於太陽質量8%的氣態巨行星核心就會開始發生聚變反應,只不過它們的聚變非常的緩慢,這種恆星稱為紅矮星,在其一生中能夠緩慢地將自身所包含的氫元素全部燃燒完,因此這種恆星的壽命非常長,可以達到數萬億年的時間,並且死亡後並不會發生膨脹,或者爆炸,而是會緩慢的冷卻為黑矮星,直到消失在茫茫的宇宙中。

像太陽這樣的黃矮星雖然核心溫度已經達到了1500萬度,核心密度達到了鉛的13倍,但這樣的溫度和壓力,還是無法克服兩個質子之間的庫侖力,如果僅靠溫度和壓力太陽內部也無法點燃核聚變。

不過值得慶幸的時,量子力學的不確定性原理在這裡發揮了巨大的作用,兩個質子會在概率非常低的情況下突然出現在彼此的面前,然後借著高溫和高壓的狀態融合在一起變為氘,然後再次經過捕獲質子即便為氦-3,然後是氦-4,雖然氦-4比四個質子輕了0.7%,但是還是會釋放出2800萬電子伏的能量,而生成的氦-4會發生沉降堆積在恆星的核心,氫聚變會繼續在氦核的外層發生。

這裡補充下:兩個質子之間發生量子隧穿的概率為1/10^28,但是在太陽中包含了大約10^57個質子,並且有10%的質子位於太陽的核心處,因此每秒鐘還是由將近4×10^38個質子融合為氦-4,大約會損失400萬噸的質量,這就是太陽能量的來源。

恆星在主序星階段的動態平衡

通過恆星的質量和光譜型我們可以將恆星分為O、B、A、F、G、K和M型,上文中所說的紅矮星就是M型恆星,我們的太陽是G型恆星,其實不管哪種類型的恆星它們在經歷上述氫到氦的聚變過程時,我們就稱其處在主序星階段。

在恆星的主序星時期,氫到氦的聚變所帶來的能量會以光子和中微子的形式向外釋放,中微子可以快速的逃離恆星的核心,不會與任何無法發生相互作用,但光子在往外傳播的時候會與帶電粒子發生碰撞,因此大量的光子就會產生一個光壓,我們稱之為輻射壓力,這種壓機會將恆星核心以外的物質向外推,但是由於萬有引力的存在,這兩個力會在恆星的主序星時期保持基本平衡。

如果輻射壓力大了,就會將恆星物質外推,導致核心壓力降低,恆星發生膨脹,這是核聚變反應就會減速,導致輻射壓力降低,引力又重新使得恆星收縮,這樣又會導致核聚變加速,就這樣一來一回整個恆星會保持在一個動態平衡中。

但是恆星如果脫離主序星階段,也就是將核心的氫燃燒殆盡,開始點燃了最內核的氦聚變,恆星就會因為輻射壓力突然增大,導致核心外城的氫殼被吹散,導致恆星發生劇烈的膨脹,並且損失大量的質量,像太陽這樣的恆星就會膨脹成紅巨星,那些比太陽質量更大的恆星就會膨脹為紅超巨星。

總結:地球會不會被吞噬

文章開頭我說的是可能,但水星和金星絕對逃不過這樣的命運,為什麼說地球還有可能存活呢?

本來地球距離太陽的平均距離就已經夠遠的了,在加上太陽每時每刻都在消耗著巨大的質量,這樣就會導致地球的軌道一直會遠離太陽,那麼50億年以後,地球肯定比現在的位置更遠。

而且太陽在變為紅巨星的時期也會損失大量的質量,因此我們的地球還是存在一線生機的。

相關焦點

  • 當太陽最終變成紅巨星時,地球會被太陽吞噬?
    隨著時間的推移,太陽會變熱,核聚變的速度會加快,最終輸出的能量會達到地球海洋沸騰的程度。再過10億或20億年,這可能會使地球上的生命完全湮滅。圖註:該插圖是對HD 189733 b的描述,一個被它的母星吞噬的行星。當太陽開始膨脹成為一個紅巨星時,它幾乎肯定會吞下水星,然後吞下金星,但地球的命運還遠未確定。再過40到50億年後,太陽將膨脹成一個紅巨星,進入其演化的下一階段。
  • 紅巨星,太陽的宿命!
    根據恆星質量的不同,存在期只有數百萬年不等,質量通常約為0.5至8個太陽質量。我們的太陽在幾十億年後,也將不可避免地演化成一顆紅巨星,不斷膨脹,吞沒內行星,甚至連地球也不能倖免。我們的太陽系以及其他類似的恆星系的未來將是怎樣的呢?
  • 天體的膨脹與收縮及其外型的演化
    ,當達到某個拐點時,膨脹停止。當地球內部完全冷卻,地球整體將表現出如水星般龜裂式收縮,意味著地球演化的終結。目前來看,還相當遙遠,應該是幾十億年後的事。,未來隨著太陽進一步演化,內核的增生變大,聽從太陽內心的呼喚,遵從內核的演化,太陽外型將演化為赤道膨脹、南北兩極收縮,越來越扁的恆星天體。
  • 當太陽變成紅巨星時,地球會經歷什麼?地球面對的不僅僅是被烤焦
    它們共同組成了以太陽為中心的太陽系大家庭。當太陽變得衰老開始走向死亡後,地球的未來也會變得飄忽不定。經常看天文知識的朋友就會知道,太陽會在大約50億~60億年後耗盡內部的氫元素,體積開始膨脹。它會變成一顆體積龐大的紅巨星。那時候太陽的表面將會延伸到現在的地球軌道附近。可憐的水星和金星就會被太陽吞噬掉。地球的命運不好說。
  • 以後太陽膨脹成紅巨星,地球怎麼辦?人類能活下來嗎?
    既然推不走地球,那麼人類只能在地球上或者其他力所能及的方式考慮解決方法!一、太陽的紅巨星會膨脹到哪裡?這是一顆光度不穩的年老紅巨星,未來的發展就是行星狀星雲,因為它的質量只有地球的一點五倍,但它已經膨脹到了太陽直徑的350倍!
  • 太陽變成紅巨星時,人類有什麼方法生存下來?
    既然推不走地球,那麼人類只能在地球上或者其他力所能及的方式考慮解決方法!一、太陽的紅巨星會膨脹到哪裡?天空中就有一顆現實參考的恆星,這是歐洲南方天文臺利用VLTI光學幹涉方式取得的一顆類日恆星的紅巨星圖像!它是位於天鵝座的π1 Gruis!
  • 宇宙中的「紅巨星」是什麼?太陽會變成紅巨星吞噬地球嗎?
    當我們看到一顆恆星從主序星的階段過渡到"紅巨星"時,就意味著這顆恆星已經步入垂暮之年,再過幾百萬年就要滅亡了。紅巨星為什麼這麼紅一顆"紅巨星"的質量通常相當於0.8~40顆太陽,但是它的體積往往是太陽的幾十倍甚至幾百倍,這是由於恆星在發展成「紅巨星」時,外部的大氣膨脹到了很稀薄的程度。"
  • 太陽或許將成為紅巨星,演化晚期的恆星——紅巨星
    紅巨星是恆星燃燒到後期所經歷的一個較短的不穩定階段。根據恆星質量的不同,紅巨星曆時只有數百萬年不等,紅巨星時期的恆星表面溫度相對很低,但極為明亮,之所以被稱為紅巨星是因為看起來的顏色是紅的,體積又很巨大的緣故。
  • 當太陽變成紅巨星時,地球還能倖存嗎?
    當然,這一過程不可能永遠持續下去,因為它依賴於物質的存在,而物質正在被不斷地消耗。隨著時間的推移,更多的氫被轉化為氦,它的核心將繼續收縮,從而使太陽外層更靠近中心,並體驗更強的引力。這將對核心施加更大的壓力,而核心將受到聚變發生率增加的阻力。
  • 太陽死亡後並非變成黑洞
    太陽是我們整個地球上的生物賴以生存的巨大恆星,我們的地球是他始終圍繞的一顆小小的衛星,太陽的一切運動基本上都會關乎我們人類的生死存亡,地球上的科學家對於太陽何時死亡也十分好奇而且也已經做出了相關的研究,那麼太陽究竟何時死亡,在之後又會變成什麼樣子呢?
  • 什麼是紅巨星?看赫-羅圖,詳解恆星的演化與恆星的最終歸宿
    位於主序右下端是寒冷的、暗淡的和最為常見的紅矮星,它們的質量比太陽小,維持發光的能量更少,能量消耗也更慢,因此壽命比太陽更長,可達幾百億年。在主序帶的下方是白矮星,它們體積比紅矮星更小,光度也更暗。典型的白矮星體積與地球差不多,但質量卻和太陽相當。白矮星是已經耗盡核能步入死亡的恆星,它的前身是紅巨星,也就是說,白矮星是紅巨星死亡後遺留下的殘骸。
  • 當地球被紅巨星太陽「吃掉」時,會瞬間融化嗎?
    在54億年後,太陽將進入所謂的紅巨星演化階段。一旦堆芯中的氫耗盡,堆在那裡的惰性氦灰變得不穩定並在自身重量下崩塌,劇烈的溫度這將導致地核變熱,密度變大,導致太陽體積變大。
  • 什麼是宇宙當中的「紅巨星」?紅巨星又是如何產生的?
    什麼是宇宙當中的「紅巨星」?紅巨星又是如何產生的?所謂紅巨星,顧名思義,也就是外表為紅色(發出紅色光芒),體積十分巨大的恆星。紅巨星是恆星的生命末期,演化成為的一種體積龐大,質量較小的發光巨星。紅巨星的質量通常在0.3~8個太陽左右,但是由於外部的大氣膨脹稀薄,紅巨星的體積常常是太陽的幾十倍上百倍。紅巨星表面的溫度約為5000K(K為開氏溫度,約為4700攝氏度)或者更低。當恆星將內核中的氫燃料消耗殆盡時,熱核反應不再繼續發生,那麼恆星的內核就會因為引力的原因開始向內部收縮,燃燒就會轉移到外部的氫氣層。
  • 太陽的演化過程:從紅巨星到白矮星
    行星狀星雲是當像太陽一樣的恆星在到達生命結尾時的殘餘物。 NGC 5307的哈博圖像不僅讓人驚奇恆星的過去,也讓人沉思我們太陽的未來。 恆星從不斷成熟到達生命結束,這是一段漫長、緩慢的過程,其間由不同劇烈變化分成幾個階段。同NGC 5307一樣,我們的太陽最終也會拋射出它外層的氣體,成為一顆紅巨星。
  • 若太陽死亡,太陽系哪些星球能倖存下來?地球會變成什麼樣?
    若太陽死亡,太陽系哪些星球能倖存下來?主序在天文學上是指恆星的青壯年時期。恆星在這一階段停留的時間佔整個壽命的90%以上。這是一個相對穩定的階段,向外膨脹和向內收縮的兩種力大致平衡,恆星基本上不收縮也不膨脹。
  • 若太陽死亡,太陽系哪些星球能倖存下來?地球會變成什麼樣?
    這是一個相對穩定的階段,向外膨脹和向內收縮的兩種力大致平衡,恆星基本上不收縮也不膨脹。當它們的氫快耗盡時,就會脫離主序階段,自身開始膨脹,半徑擴大為原來的200——300倍,變成紅巨星。當太陽變成紅巨星時,太陽系裡離太陽最近的水星和金星會首當其衝受其影響,被太陽吞噬並最終化為一團氣體。
  • 演化晚期的恆星——紅巨星
    紅巨星到底是怎樣的?根據恆星質量的不同,紅巨星曆時只有數百萬年不等,紅巨星時期的恆星表面溫度相對很低,但極為明亮,之所以被稱為紅巨星是因為看起來的顏色是紅的,體積又很巨大的緣故。紅巨星的演化過程因為惰性的氦核本身沒有能源,便因為重力而收縮並被加熱,在上面的氫也會跟著一起收縮,因此融合的速度會增加,產生更多的能量,導致恆星變得更為明亮(比原來亮1,000~10,000倍)並且使體積膨脹。體積膨脹的程度超過發光能力的增加,因此表面的有效溫度下降。表面溫度的下降使得恆星的顏色傾向紅色。
  • 是太陽先死亡,還是地球先死亡?或者地球隨太陽一起死亡?
    太陽的年齡也是用月球巖石的樣本計算出來的!太陽能活多久?哦,它還有將近100億年的時間,但是地球無法目睹它的死亡!太陽,像任何正常的恆星一樣,有一個可預測的生命周期。它誕生並成為原恆星,逐漸演化成為一個紅巨星。幾百萬年後,這顆恆星脫落了外層,從而成為行星狀星雲。這些層被吹掉後留下的是白矮星,它最終會冷卻下來。
  • 為什麼會有人說太陽會變成紅巨星?
    不是有人說,而是如今科學界的共識,這種共識是建立在長期以來對太陽的大量探索研究的基礎上得出來的,是有科學依據的,並不是某人說什麼就是什麼! 太陽已經燃燒了50億年,並且還會繼續燃燒50億年,這是根據太陽質量和燃燒速度等條件計算出來的。
  • 恆星收縮與膨脹也會讓它一閃一閃
    近日,一個研究小組假定參宿四在發生脈動的同時發生超新星爆發,計算了脈動對超新星亮度的影響——脈動時,收縮區域發出的光變暗,膨脹區域發出的光變亮。作為一個紅超巨星,參宿四的半徑確實在不斷變化,導致其亮度也反覆變亮變暗。那麼,恆星脈動的原因有哪些?脈動的恆星對於天文學研究有什麼重要性?它們都會爆發為超新星嗎?