怎樣運用簡單的經典物理學來計算太陽的年齡呢?

2021-01-09 天文在線

「我怎樣才能用經典物理學計算太陽的年齡呢?我知道它的壽命估計有100億年,但這是計算出來的嗎?

它需要運用比經典物理學再多一點的知識,但你仍然可以通過一個非常簡單的計算來估計太陽的壽命。

首先,如果你想知道太陽的當前年齡(大約50億年),這個數字是由太陽系中已知與太陽同時形成的物體的放射性年代測定出來的,如前一個問題的答案所述。

正如你所說,太陽在變成紅巨星之前的總壽命大約是100億年(也就是說,從現在起大約50億年後會發生轉變)。這可以通過假設,太陽會「死亡」於為了保持其發光而耗盡能量。發生這種情況的時間大致上是太陽能轉化為光的總能量除以太陽釋放能量的速率,或者:

壽命=(能量)/(太陽釋放能量的速率[能量/時間])

太陽釋放能量(其亮度)的速率大約是3.8 x 1026瓦特(這是數字38,後跟25個零——相當多的燈泡!)這個數字可以通過測量太陽從地球上出現的亮度以及它與我們之間的距離來確定。

太陽必須燃燒的總能量需要一點額外的知識(例如,一些核物理學)才能理解。我們知道太陽是通過核心的核反應而發光的,這個核反應把四個氫原子轉變成一個氦原子。如果你看一個周期表,你會發現一個氦原子的質量比四個氫原子加在一起的質量要輕一些;大約0.7%的原始質量已經「消失」。這個「缺失的質量」轉化為能量,這就是使太陽發光的能量。因此,利用愛因斯坦著名的公式e=mc2來計算質量和能量之間的轉換,我們得出太陽中的可用能量是:

E = 0.007 x M c2

在這個公式中,c是光速,m是太陽中能夠經歷上述核反應的質量。

現在,事實證明只有太陽的中心部分處於足夠高的溫度下,才能真正經歷這些反應。你需要使用一個太陽結構的詳細模型,來精確地計算出多少太陽(太陽的多少部分)處於足夠高的溫度下,但是如果我們只是在估計一些事情,我們可以說,太陽質量的10%左右是在太陽的中心部分,那裡足夠熱,可以發生核反應。然後我們有:

E = 0.007 x 0.1 x Msun c2

式中,msun是太陽的總質量,2 x 1030千克。因此,我們可以計算出太陽必須燃燒的總能量約為1.3 x 1044焦耳。將3.8x 1026瓦(太陽釋放能量的速率)除以這個數字,太陽的壽命大約為100億年。

相關知識-生命周期

太陽是在大約45.7億年前在一個坍縮的氫分子雲內形成。太陽形成的時間以兩種方法測量:太陽目前在主序帶上的年齡,使用恆星演化和太初核合成的電腦模型確認,大約就是45.7億年。這與放射性定年法得到的太陽最古老的物質是45.67億年非常的吻合。

太陽在其主序的演化階段已經到了中年期,在這個階段的核聚變是在核心將氫聚變成氦。每秒中有超過400萬噸的物質在太陽的核心轉化成能量,產生中微子和太陽輻射。以這個速率,到目前為止,太陽大約轉化了100個地球質量的物質成為能量,太陽在主序帶上耗費的時間總共大約為100億年。

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