太陽的宿命是什麼樣子的?會爆炸麼?

2020-12-03 鍾銘聊科學

太陽的一生

很多人認為太陽的一生應該是極其壯烈的,尤其是在最終死亡的時候或許有一次驚天地泣鬼神的大爆炸,但實際上並非如此,太陽的死到底是咋樣的呢?

其實這個問題和恆星的演化有關,事實上也確實存在一些恆星在演化的過程中會發生爆炸,下文我們會具體提到。

目前我們對於太陽這類恆星的研究還是比較透徹的,所以對於太陽的一生也有大致的了解。我們都知道恆星時時刻刻都在燃燒自己照亮別人。那太陽內部到底是在燒什麼呢?最早有人猜是燒煤了,結果有人真的算了算,結果發現如果太陽是燒煤的,那壽命可能只有幾千年。

後來,在一幫粒子物理學家們的努力之下,終於搞清楚了恆星內部的燃燒機制,也就是核聚變。想要了解這個問題,我們要想搞清楚太陽內部的情況。太陽起源於星雲物質的引力坍縮。

引力使得太陽核心的壓力變得很高,同時溫度要飆升,這個溫度大概可以達到1500萬度。這時候太陽核心的物質再也不是一個個原子構成的了,由於溫度實在太高,導致原子結構都無法保持住,電子和原子核到處亂串,這也就是等離子態。

如果我們把太陽看成是一個大火爐,那它的燃料其實是原子核,而不是原子。(畢竟這個時候原子核已經不是和電子一起行動了。)

我們要補充一點,原子核其實是帶正電荷的,所以原子核和原子核之間有庫倫斥力,說白了就是相互排斥。所以,1500萬度還不足以引發核聚變的條件,地球上的氫彈引爆時,都會預先引爆原子彈讓溫度達到1億度左右。不過,由於在微觀世界中存在一種量子效應:量子隧穿效應

說白了就是原本很難的事情,在微觀世界也有一點的概率發生,不過這個概率極其小。不過,由於太陽足夠大,內部的原子核數量足夠多,所以能夠引發核聚變反應,但只能緩慢地進行。而到底引發的是什麼核聚變反應呢?

實際上,宇宙誕生於一次宇宙大爆炸,在那之後,宇宙中的溫度慢慢冷卻,形成了原子結構,這當中大部分是氫原子(佔據了70%左右),剩餘的基本上都氦原子,其他的元素特別特別少,不到1%。

所以,恆星內部的元素基本上都是氫和氦。而氦的核聚變反應條件要比氫更苛刻,因此想點燃的是氫原子核的聚變反應。也就是說,太陽一開始的燃料是氫原子核,爐渣是氦原子核

這個過程大概會持續100億年,我們現在大概是在40多億年的時候,也就是說太陽燃燒氫原子核還有50多億年的時間。

50多億年後,太陽核心的氫原子核燒得差不多後,由於太陽輻射層把內核和外層隔離開,使得外層的氫原子核不容易進入太陽內核。於是,當內核的氫原子核燒完後,反應條件又不足以支持氦原子核的核聚變反應,於是內核在引力的作用下持續收縮,而外層則會因為核聚變反應的對外壓力的作用向外膨脹開來,此時的太陽會變成一顆紅巨星,半徑大概會膨脹到原來的200倍,水星和金星都會被吞噬掉,而地球大概在那個時候會在太陽大氣附近。(補充一點,此時地球的最終結局還未可知,並不一定會被太陽吞噬)

然後,核心在引力的作用繼續收縮,直到引發氦核的核聚變反應。在點燃氦核聚變的那一刻就會發生氦閃。

這之後太陽的核心大概會維持10億年左右的氦核聚變反應。我們可以粗暴地理解成燃料是氦原子核,而爐渣是碳原子核或者氧原子核。

當氦原子核也燒完後,太陽的外層會繼續膨脹形成行星狀星雲。

而內核會繼續在引力作用下收縮,但遺憾的是,由於自身質量有限,引力不足以觸發碳原子核和氧原子核的核聚變反應。

於是,太陽只能等著慢慢涼掉成為一顆白矮星,此時核心主要是主要是氧原子核和碳原子核。當熱量都完全散去之後,最終成為一顆黑矮星。

以上就是太陽的一生,到了白矮星階段我們就基本上可認為恆星的路已經走到了頭了。所以,太陽並不會像很多人想像中的那樣終局特別悲壯,相反太陽的死是悄無聲息地,默默暗淡下去,在1千萬年後,太陽表面的溫度將會下降到只有5K,僅僅高於絕對零度5度。

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