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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。