持續138億年的核聚變,地老天荒!解密恆星長壽的核心原因

2020-12-06 科學剃刀

聖經中記載了一位名叫瑪士撒拉的族長,據說他死於969歲,是《聖經》中提到的最長壽的人。

有趣的是,一顆編號HD 140283的一顆恆星,其觀測年齡和目前宇宙的年齡相當(0.7個太陽質量,半徑為太陽的2倍),也被戲劇性的命名為瑪士撒拉星。這是一顆位於天秤座中貧金屬亞星,距離地球200光年,誕生於宇宙大爆炸後久。

恆星的年齡通常在10億到100億年之間,通常越大的燒得越快,反之則越慢,當然這也不是絕對的,具體取決於恆星核心內等離子體的密度。

根據資料,我們的太陽中的氫全部燒完大約需要100億年的時間,是相當穩定的一顆,目前已經燒了46億年,它還可以再燒50億年,這種穩定核反應的持續時間遠超人類。

有人提出:恆星為什麼這麼長壽?太陽既然是核聚變反應,為什麼不像氫彈一樣瞬間炸完,而是持續不斷地聚變反應?

這個問題看似簡單,因為太陽每天都掛在那裡,天經地義萬物之源,但實際上太陽的聚變充滿人類至今無法觸及的高科技,別跟我說什麼人造小太陽,我們連太陽的模仿者都算不上,且聽我給你慢慢道來!

聚變持續時間人工核聚變難以企及

氫彈是一種以聚變能為主要輸出的武器,人類製造它的目的就是讓它在最短的時間內釋放最大的能量。

氫彈按高爆、裂變、聚變的大概順序完成整個操作,大家看看上面的這張圖就大概明白了,這裡不再贅述。

即使是人類科學家目前孜孜不倦追求的人工可控核聚變,其聚變時間也是以秒,甚至毫秒計算的,對高溫等離子的控制如同針尖上起舞。

太陽的聚變更像是熬湯

看看這張圖是太陽核反應的詳細步驟,是不是有點暈?簡要的說一下,四個紅箭頭代表四條分支,從圖你可以看出太陽的聚變反應不是一蹴而就的,經過了好幾步,就像遊戲做任務一樣,有主線(PP1)有支線(PP2、PP3、HEP)。整個過程被稱作P-P鏈反應(質子-質子鏈反應),注意不是鏈式反應,而是鏈反應(慢慢地來),這是有區別的。

為什麼說太陽是在熬湯呢?因為經過了一系列不同的聚變和裂變反應,太陽從普普通通的氫中(還是同位素,就是氫)產生了氘、氦3、氦4、鋰7、鈹7、硼8、正電子、伽馬射線、中微子等各種成份。除了PP鏈反應物,還會產生氧、氖、鐵等,真的是好一鍋。

為啥這麼能燒?(稍微硬核一點)

「球大」、「料多」我就不說了,這是禿子頭上明擺的原因)

核心原因1:用最難聚變的氫做燃料

氫作為宇宙中含量最豐富的元素,在太陽中佔了73.46%,這是太陽聚變的主要原始材料。

但作為人類來說,把氫作為核聚變的燃料是幾乎不可能的事。

反應截面極小。氫核作為最小的原子核,僅含有1個質子,早期的研究發現雙氫聚變幾乎是不可能的,因為氫原子核的聚變反應截面極小,為了增加碰撞概率和質子的動量,反應需要極高的溫度,而太陽核心的溫度僅為1500萬度左右,遠遠達不到理論預測值。

怎麼辦呢,太陽有辦法,穿越!對,太陽是個玩穿越的高手,依靠量子隧穿效應,質子可以以低於克服庫侖勢壘所需的動量與另一個質子結合。

不過發生隧穿的質子概率小,而氫氫聚變是PP鏈反應中的最重要一步,因為參與聚變的質子少,加之雙氫的結合能居然是負的(聚變不釋放能量,反而吸收1.25兆電子伏特能量),所以太陽核心的發熱功率意想不到的低,僅為276.5W/m3,這個功率大致與爬行動物的發熱量相當。

核心原因2:弱核力參與聚變

雙質子聚變的問題解決了,但1個困難解決,另一個又來了,即使雙氫聚變了,變為氦2,也就是具有2個質子的原子核 ,但其核是極不穩定的,會有幾乎99.99%的概率立即(遠小於1納秒)重新分開變為2個質子(好不容易湊一塊,你看這。。。。。),那不白搞了嗎。

別急!太陽還有辦法,找幫手,通過弱核力攜帶者W正負和Z0玻色子,採用電子俘獲的形式,雙氫中的一個質子經過β+衰變,變成了1個中子,並釋放1個正電子和1個中微子(W正粒子衰變),原子核也從氦2變為較為穩定的氘核。搞定!

1個質子與1個中子的氘核就相對穩定了,同時反應截面也大大增加了,換句話說好燒多了,基本上太陽中的氘核等上個4秒就可以繼續變身了。

但也正因為要依靠弱核力的參與,雙質子中發生β+衰變的概率<0.01%,平均每1個質子(氫原子核)也要等上90億年才能與1個質子成功結合成氘(或者說,90億個質子當中每年僅有1個發生聚變),進一步降低了整個PP鏈反應的速度。

好在太陽擁有高達8.9*10的56次方個質子,所以總體上還過得去。

核心原因3:完全自組織等離子體構型、完美的動態平衡

太陽是一個完全依靠自身引力聚集在一起的完美等離子體構形,相比之下,地球上科學家們正在進行的人工核聚變,需要通過各種複雜的磁場去約束。

太陽的核反應主要發生於其核心開始至半徑20%-25%範圍內,這樣就形成了一個自身引力塌縮與核心處聚變反應熱量動能的動態平衡中,這種平衡具體自我校正的能力,通俗點講,外部壓狠了,核心就燒的狠一點去對抗引力,反之則燒的緩一點。

好了,關於恆星長壽的秘密就講到這了,在此,我們不得不感嘆大自然的大道至簡,太陽只用最原始的氫,就在自己製造的熔爐中鍛造出生命及萬物所需要的近乎所有元素,好似地球上的大海,與小池塘相比都是水,但卻時而寧靜、時而洶湧、孕育了我們地球上50%-80%的生命。

參考文獻:1、《核反應堆運行原理》2、《慣性約束核聚變》3、維基

相關焦點

  • 太陽核聚變只要1500萬度,可控核聚變卻要1億度,這是什麼原因?
    這就是在地球上5000萬度也能夠進行氫核聚變,1億度也能夠進行的道理。但問題是溫度較低時,無法形成自持式燃燒,以至於能量入不敷出,反應得到的能量還不如輸入加熱所需的能量多,這種核聚變於人類有何用呢?因此在地球上就需要1億度高溫,才能夠讓氘核聚變(氫的同位素)持續進行,並得到能量輸出造福人類。
  • 比宇宙還「長壽」的恆星,它存在了144億年,宇宙才138億歲!
    如今宇宙已經138億年的壽命了,在偌大的宇宙中存在著無數顆星體,這些星體都是宇宙誕生後他們才出現的,但是其中卻有一顆與眾不同的恆星,它已經存在了144億年了,而宇宙也才138億歲,這是怎麼回事呢?之所以把這顆恆星叫做瑪士撒拉,是因為在《聖經》中,瑪士撒拉活了969年,在西方被當作長壽的代名詞,這顆恆星在宇宙中也存在了160億年的時間了。
  • 像太陽這樣的恆星在內部核聚變結束後,會變成什麼?
    受到其它恆星以及星體引力波動的影響,這些星雲物質在50億年前左右的時間,在引力牽引下發生著持續不斷地碰撞和聚合,逐漸形成了一個質量相對較大的核心區域,然後在萬有引力和動量守恆定律的支配之下,周圍的星際物質和氣體一部分繼續被吸入核心區域,核心質量不斷地增長,另外也在持續碰撞的過程中,逐漸積聚著能量和溫度,與此同時,稍遠一些的星際物質和氣體,在自身也進行碰撞和聚集的過程中,開始圍繞著這個核心進行運轉
  • 恆星核聚變的終點是鐵元素,但是我們太陽的聚變過程到達不了鐵!
    鐵原子擁有最穩定的原子核,是核聚變與核裂變的「終點」,大質量恆星內部的核聚變到鐵就停止了,最後在恆星中心形成一個不穩定的鐵核,但是中小質量恆星由於溫度太低,聚變過程根本到達不了鐵元素。比如我們太陽就處於這個階段,該階段也稱作P-P鏈反應,此時其他核聚變反應途徑也在進行,但是以氫元素的聚變為主,氫元素的燃燒非常緩慢,比如我們的太陽將持續100億年氫元素為主的核聚變過程
  • 太陽發熱效率比人體還低,核心溫度1500萬度就能維持穩定核聚變!
    太陽內部的核聚變反應其實是非常緩和的,太陽整體釋放能量的效率甚至比人體還低很多倍,之所以太陽內部1500萬度就能持續釋放大量能量,主要原因在於太陽質量太大。氫彈爆炸的中心溫度高達2億度以上,人類製造的託卡馬克裝置約束的等離子體電子,已經能持續一定時間保持在1億度以上,約束的等離子溫度能在5000萬度以上,太陽中心溫度大約是1500萬度。有人可能會有疑問,太陽1500萬度就能持續進行核聚變反應,為何我們製造上億度的溫度,還是無法實現可控核聚變?
  • 核聚變反應需要上億度高溫?怎麼測量?溫度到底是什麼?
    我國的EAST託卡馬克裝置,曾在2018年,已經實現一億度的高溫等離子體放電。而目前全球合作共建的國際熱核聚變實驗堆的目標,則是1.5億度。要知道,世界上最耐熱的金屬,熔點也只有3000多攝氏度,相比之下,一億度是個什麼概念呢?又是如何測量的呢?溫度到底是什麼?
  • 核聚變需上億度高溫,可太陽只有1500萬度,怎能聚變百億年?
    太陽的能量和人類所製造的氫彈都是基於核聚變,但兩者卻有著很大的區別,因為如果以製造氫彈的標準來衡量太陽,太陽根本無法發生聚變反應,原因就在於它的溫度不夠。為了弄懂太陽是怎麼一回事,我們有必要先簡單了解一下氫彈的原理。氫彈雖然叫做氫彈,但通常使用的原材料並不是氫,而是氚和氘,此二者是氫的同位素。
  • 核聚變需上億度高溫,可太陽只有1500萬度,怎能聚變百億年?
    太陽的能量和人類所製造的氫彈都是基於核聚變,但兩者卻有著很大的區別,因為如果以製造氫彈的標準來衡量太陽,太陽根本無法發生聚變反應,原因就在於它的溫度不夠。為了弄懂太陽是怎麼一回事,我們有必要先簡單了解一下氫彈的原理。
  • 恆星核聚變並非到鐵為止,而是以特殊方式,製造出我們認知的世界
    因此恆星的核聚變是在核心部分進行的。鐵元素是大於太陽質量8倍以上的恆星,中心溫度和壓力更高情況下,核聚變從氫開始,一路連鎖下去,經過26個元素的核聚變生成的。 恆星核心部分完成了核聚變後,「周邊的那些氫元素」就沒有「可還是在聚變反應啊」,「這個時候在鐵元素周圍就依然有百億溫度」是不存在的,因為恆星核聚變從來也沒有百億溫度,直到聚變到鐵元素,最高溫度也就20億K,鐵核聚變需要溫度也就30億K。 說清了這幾個問題,才可以回答為啥到了鐵元素核聚變就停止了這個問題了。
  • 氫核聚變結束之後,是否意味著核聚變就會停止呢?
    根據現代科學理論,宇宙起源於138億年前的奇點爆炸,我們可以將這個奇點看成是一個無限能量的集合。當大爆炸發生的瞬間,奇點中的能量被釋放出來,於是元素的誕生也就開始了。通過元素周期表,我們可以看出,氫排在第一名,而氦排在第二名,其它的元素按照輕重依次排序。這個排名可不是隨便排的,都是經過科學的研究和探索,而越是靠前的元素,它們誕生的時間往往越早。
  • 都是核聚變,為何氫彈爆炸只是一瞬間,而太陽能炸100億年?
    氫彈會利用核聚變產生巨大的能量,而對於太陽來說隨時都在發生核聚變。但是都是核聚變,為何氫彈爆炸只是一瞬間,而太陽能炸100億年?原來太陽是利用核聚變反應燃燒的。太陽的內部有著頻繁且持續的核聚變反應,作為太陽系的中心向四周發射出能量,也因為太陽發射出的能力地球上才會出現生命。
  • 科學家首次破譯太陽核心的第二種核聚變
    核聚變不僅是使恆星發光的原因,也是構成我們周圍世界的化學元素的主要來源。我們對恆星聚變的理解大多來自於原子核的理論模型,但是還有另外一個來源:在太陽核心產生的中微子。 每當原子核發生聚變時,它不僅會產生高能伽馬射線,還會產生中微子。伽馬射線可能會被困在太陽數千年的時間,而中微子則以接近光速的速度從太陽中呼嘯而出。
  • 恆星核聚變到鐵元素就停止了,那鐵之後的重元素是如何形成的?
    按照目前的主流科學理論,宇宙起源於138億年前的一次大爆炸。宇宙大爆炸之後,宇宙在很短時間內,從無到有生成了基本粒子。這裡不完全是「無」,而是「電磁波」,高能的電磁波也會像正反粒子那樣發生湮滅,進而生成粒子,只不過這裡的條件極其苛刻,環境溫度都需要達到幾十億度,甚至上百億度。
  • 恆星核聚變產生鐵和更重的元素,太陽系絕大部分的氫從哪裡來?
    按照現在的主流觀點,宇宙起源於138.2億年前的奇點大爆炸,最開始形成的就是氫元素,這意味著宇宙中的常規物質最開始就是氫元素。而隨著時間的流逝在宇宙空間中瀰漫的氫和氦,由於密度不均在密度較大的地方開始聚集形成原始星雲,最終形成第一代恆星。一般質量的恆星內核處發生核聚變生成氦,隨著氦在內核處的積累逐漸增多,待恆星進入紅巨星之前內核處會發生劇烈的「爆炸」,這就是氦閃。
  • 太陽核心溫度只有1500萬攝氏度,為什麼會發生核聚變反應?
    從「人造太陽」的模擬原理我們可以看出,這是一種在人工創造的環境下實現的可控核聚變,其所需要的最重要的一個因素就是創造非常高的溫度,推動核聚變的正常穩定和高效運行,從我國「人造太陽」的研究進展來看,我們目前已經實現了裝置內部在1億攝氏度高溫環境下等離子體的穩定運行,將下來還將要突破3億攝氏度的反應溫度,我國的研究進展已經在國際上遙遙領先。
  • 50億年後太陽會爆炸嗎?科學家解密核聚變反應,太陽不能自救
    是50億年嗎?這個時間是否準確,它又為何不進行自救呢?在很久以前,由於科技落後,導致當時很多地理知識都是錯誤的,其中「地心論」最為明顯。在那個封建勢力至上的社會,不滿足於老百姓們的敬畏,還把自己的野心延伸至地球以外,認為自己所居住的地球才是宇宙的中心,從而大肆宣揚「地心論」,愚昧世人的思想。
  • 核聚變能源有望在2030年之前實現
    2700萬華氏度(1500萬攝氏度)——比太陽的核心溫度還要高。英國託卡馬克能源公司表示,等離子體測試是世界上第一個用核聚變能源生產商業電力的裡程碑,可能在2030年實現。該公司以真空室命名,在強大的磁場中包含聚變反應。6月初該公司宣布在實驗ST40聚變反應堆中製造超高溫等離子體。這次成功的測試——託卡馬克能源公司迄今為止獲得的最高等離子溫度——意味著該反應堆將於明年準備進行一次更熱的等離子體測試,溫度超過1.8億華氏度(1億攝氏度)。
  • 恆星核聚變到鐵就停止了,比鐵更重的元素是如何形成的?
    而且在特大質量的恆星核心內部觸發的核聚變反應所需要的溫度是非常高的,所以這樣的條件就可以使其外層的溫度正好達到氫核聚變所需的反應條件,而在此時恆星的外層就會開始逐步的發生核聚變反應
  • 是什麼原因決定了恆星壽命的長短?
    另外,恆星並非都是在138億年前的宇宙大爆炸時期形成的。宇宙中有很多星雲,星雲裡的物質在萬有引力的作用下聚集在一起,聚集的過程由於引力做功導致溫度升高,聚集在一起的物質足夠多就能點燃核心處的核聚變,這樣就可能誕生了一顆恆星。可見只要有足夠大的星雲,就有可能誕生出恆星。太陽就是誕生在大約50億年前,著名的創世之柱就是7000光年外的星雲,裡面孕育著成千上萬的恆星。
  • 同樣都是核聚變反應,為什麼氫彈瞬間爆炸,太陽卻能維持100億年
    但是太陽內部的核聚變反應的時間要漫長的多。太陽的核聚變的反應不但已經持續了46億年的時間,而且未來還會穩定的維持大約60億年。為什麼太陽的核聚變反應能夠穩定維持100億年而不是瞬間爆炸完了呢?科學家研究發現太陽的核聚變反應只發生在太陽的內部。從太陽中心到四分之一個太陽半徑的區域是太陽的核聚變反應區。這裡的溫度可高達1500萬攝氏度,氣壓相當於3000億個地球大氣壓。在核反應區,每秒鐘就有6億噸的氫通過核聚變反應變為5.96億噸的氦,同時釋放出相當於400萬噸氫的能量。