太陽就像個大火球,它已經持續「燃燒」了長達46億年。太陽這個大火球的質量達到了地球的33.3萬倍,或者說2000億億億噸(2×10^30千克)。那麼,太陽究竟在燃燒什麼?如果用重如太陽的水能夠澆滅太陽嗎?
太空幾乎是真空的狀態,沒有像地球上這樣充滿了氧氣,所以太陽的「燃燒」與地球上的燃燒現象是不一樣的。太陽之所以能夠發光發熱,並非氧化還原反應,其原理與氫彈一樣,都是進行氫核聚變。
太陽質量的98.3%是由氫和氦構成的,氫元素最多,質量比率可達73.5%。在太陽的核心區域,溫度高達1600萬度,四個氫原子核碰撞之後會結合成一個氦原子核,期間損失的0.7%質量會轉變為能量。
據估計,每秒有3.7×10^38個氫原子核發生核聚變反應,虧損的質量為426萬噸。根據愛因斯坦的質能方程可以計算出,太陽每秒釋放出的能量為3.85×10^26焦耳。在過去的46億年裡,太陽的核聚變反應已經損耗掉了103個地球質量。
如果把重如太陽的水倒在太陽上會怎樣?這會讓太陽的氫核聚變停止嗎?
太陽中的氫核聚變反應需要滿足苛刻的條件,溫度和壓力都要非常高,氫原子核才能獲得足夠的能量來克服電磁力,從而發生核聚變反應。理論上,如果把太陽的溫度降到足夠低的程度,將會導致氫核聚變無法進行下去。
設想一下,如果水的密度保持1000千克/立方米不變,它們均勻地包裹在半徑為70萬公裡的太陽外圍,讓整個太陽「泡在」水中,那麼,這個水球的厚度約為24萬公裡。然而,給太陽加水並不會中止太陽的核聚變反應,即便是重如太陽的水也無濟於事。
這麼多的水並不能給太陽快速降溫,太陽的熱量來自於最深處,太陽的散熱並不好,那裡的熱量無法被外圍的水快速帶走。太陽產生的能量主要以光子和中微子的形式輻射出來,但光子無法徑直到達表面。因為太陽核心非常緻密,光子在前進過程中會受到氫原子核的阻礙。光子本來只用2.3秒就能到達表面,但實際時間卻耗費了幾萬年甚至十幾萬年。
事實上,給太陽加水猶如火上澆油,太陽會「越燒越旺」。加了水之後,太陽的質量增加了,引力坍縮效應變得更強,導致核心區域的溫度和壓力進一步升高,這會加快核聚變反應的速率,使得太陽每秒能夠釋放出更多的能量。
正因為如此,質量越大的恆星往往越熱。舉個例子,天狼星的質量約為太陽的2倍,它每秒產生的能量是太陽的25倍。雖然恆星的質量更大了,但核聚變反應速率增加更多,這會導致恆星更快消耗完核心中的氫燃料,所以壽命反而更短。對於天狼星這樣重的恆星,其壽命只有10億年,僅為太陽的十分之一。
因此,如果把重如太陽的水澆到太陽上,不會導致太陽熄滅,反而會讓太陽變得更熱。但這會加速太陽衰亡,讓太陽所剩的壽命從50億年減少為不到10億年。