像太陽這樣的恆星在內部核聚變結束後,會變成什麼?

2021-01-16 優美生態環境保衛者

我們太陽系的核心是處於絕對主導地位的太陽,依靠著自身進行的核聚變,源源不斷地向外界釋放光和熱,為我們地球生命的誕生和生物世界的發展演化提供了不可或缺的物質和能量來源。太陽的演化歷史,是宇宙中絕大多數恆星共同具有的特徵,那就是在質量滿足一定範圍的條件下,所推動輕型物質向重型物質聚變的一個普遍過程,只是質量的差異造成了演化的最終結局不一樣而已。

太陽的演化歷史

如果將一個恒生的誕生和發展,與其所處的宇宙空間的狀態相隔離開來是不完整、也不科學的。其實恆星也和任何生命體一樣,其組成物質也是處在不斷地循環往復過程中。有形成,有發展,也有衰老和死亡,當然更有物質的重組和重組之後的重生。

據科學家們研究發現,太陽在還沒有形成之前的46億年以前,其現在所處的區域,應該是一個由相對「密集」的星際物質所組成的空間,在這裡分布著由氣體和星際塵埃共同構成的「濃密」星雲。而這個星雲的產生,有極大的可能,是之前該區域存在著已經死亡的巨大恆星,在生命的終期,這顆恆星向外界釋放完最後的一批能量和物質之後歸於沉寂,在漫長的宇宙時間演化中,恆星殘骸以及之前釋放出的物質,逐漸形成了這個星際物質比較「濃密」的星際空間。

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,慢慢地就形成了恆星的「胚胎」。

當核心區域溫度升高到700-1000萬度時(大約在46億年前),將會激發內部最輕元素-氫的核聚變反應,兩個氫原子,即四個質子和中子,通過鏈式反應,聚合形成氦原子核,同時釋放兩個正電子,在此過程中由於質量的虧損,會釋放大量的能量。通過計算,兩個氫原子聚變為一個氦原子,所釋放的能量為4.6*10^(-12)焦耳。

目前太陽正處於中年,內部的氫元素核聚變正處於鼎盛時期,每秒鐘所消耗的氫元素質量大約為7億噸,這個數值看上去非常龐大,但是由於太陽的總質量也非常巨大,因此,這種鼎盛的核聚變局面還可以持續至少10億年以上,之後就會緩慢進入紅巨星時代,觸發氦元素的核聚變。

決定恆星核聚變程度的因素

能夠影響恆星核聚變程度的因素,說白了就是由核心處的溫度決定的,不同的溫度區間,可以觸發不同的元素向下一級核聚變進發。

之所以溫度的提高,能夠激發產生核聚變,是因為在溫度逐漸提升的過程中,原子的結構就會發生動搖,當到達一定的臨界點之後,原子中的電子就會激發出來,使原子核成為「孤家寡人」,然後原子核在高溫下的運動速率也會加快,從而克服了原子與原子之間的庫倫力束縛,相同的原子核就會有較高的機率發生相互結合的情況,從而組成原子的質子和中子就會重新進行組合,形成原子量更高的元素。

而恆星內核溫度能夠達到多高、核聚變能夠持續到什麼程度,則又將取絕於恆星的質量。我們看到的恆星處於穩定的狀態,其實其內部無時無刻不在進行著兩種力的相互抗衡,一個是電子的簡併壓力,是隨著溫度的升高,使同類的原子相互結合過程中出現的自然排斥力,可以理解為原子本身不想聚變,有向外輻射力量的趨勢。另一個是恆星本身的重力,在萬有引力作用下,恆星外層的物質時刻都有被向核心處吸引的趨勢。這兩種力量的對抗,如果電子簡併壓力佔據了上峰,則恆星的下一步氦聚變就會中止,因為提供不了足夠的重力來使原子與另外的同類原子進行結合,新的元素也將不會再產生了。

恆星質量的大小對核聚變結局的影響

不同質量的恆星,其內部核聚變的程度是不一樣的。這裡主要分三種情況進行要簡要分析。

1、當恆星質量處於太陽質量的1.44倍以內時,這也是宇宙中大多數的恆星質量的範圍,在這個範圍之內,沒有突破錢德拉塞卡極限。如果恆星內部的氫元素消耗殆盡時,恆星將會在重力作用下進行塌縮,隨著塌縮的進行,核心處的溫度極劇升高,可以引發氦元素進行核聚變的溫度(2億度),形成氦閃現象,然後在向外輻射壓大幅增加的情況下推動整個恆星體積急劇膨脹,形成紅巨星。此後再經過塌縮、膨脹這樣的相類似的過程,隨之產生更重的元素C。之後,太陽般大小的恆星,其重力就再也無法滿足C的核聚變條件了,此後就會不斷地塌縮形成白矮星,此時核聚變完全中止,白矮星持續在進行著降溫冷卻的過程,再經過個幾百億年最終形成黑矮星。可以看出,太陽的最終結局是黑矮星,主要由C元素構成,並沒有金屬元素。

2、假如恆星的質量更大一些,處在3.2個太陽質量(奧本海默極限)以內,那麼,在巨大重力的影響下,其最終的結果是,組成恆星物質原子核外的電子都被壓進原子核的內部,與質子結合形成中子,形成中子星,其最終核聚變的產物是鐵元素,此時由於鐵元素的結合能最高,便無法從核聚變中獲得更多的能量,於是星體在末期就會失去向外的熱輻射壓力,星體外層物質就會在重力作用下快速向核心處塌縮,在此過程中大量形成的熱能就會以超新星爆發的形式展現出來。因此,中子星最終的結局也是黑矮星,只不過這個黑矮星裡含有金屬元素鐵。

3、當恆星的質量突破3.2個太陽質量時,在恆星末期劇烈的塌縮進程中,其重力佔據了絕對優勢,即使中子之間的相互排斥力也不足以抵擋向內的壓力,這個塌縮就會無限持續地進行下去,中子也被壓得粉碎,最終在核心處形成幾乎密度無限大、體積無限小的黑洞。

總結一下

恆星的發展演化周期,與其核心處的溫度變化有直接關係,而影響溫度變化的主要因素就是恆星的質量。因此,恆星質量的大小,決定著最終的演化歸宿。而我們的太陽,最終的演化路徑將是從目前的壯年,發展到紅巨星,之後塌縮形成白矮星,最終形成黑矮星,組成物質是由C元素。而只有當恆星質量突破3.2倍太陽時,其最終的殘骸之中才會有金屬元素Fe。

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?
    稍懂科學常識的人都知道,太陽一直是依靠核聚變源源不斷的產生著巨大能量,我們才能夠得到它的光和熱。太陽中心溫度只有1500萬℃,就可以維持源源不斷的核聚變。可一些科學報導總說,現在正在試驗的可控核聚變溫度達到了1億℃,這又是為什麼呢?為什麼不可以像太陽那樣,用較低溫度實現可控核聚變,這樣不是容易很多嗎?
  • 太陽發光是因為核聚變,為什麼它不像氫彈瞬間爆炸並燃燒殆盡?
    恆星質量越大壽命越短,質量越小壽命越長。恆星演化到生命後期會有三種結局:白矮星、中子星和黑洞,而太陽在50億年以後將會變成白矮星,也是緻密星的一種。恆星之所以發光發熱,是由於內部在進行著核聚變有質量損失,這些損失的質量按照愛因斯坦質能方程轉換為能量釋放出來。
  • 太陽「燒完」後會變成什麼?宇宙中的恆星,都逃不過「三種」結局
    正如我們所知,地球的能源,包括生產那麼多生命的能力,很大程度上是因為太陽的信貸。太陽燃燒的「火球」,地球的生命力。但是很多人應該想到,有一天太陽將會燒掉。如果太陽燒傷,那會是什麼樣子的?太陽是宇宙中最典型的「明星」。我們可以看到許多星星在天空中,基本上是宇宙的恆星。
  • 核聚變反應怎樣促成恆星產生或滅亡?請隨我來到宇宙大爆炸之前!
    上一篇文章中,我提到了核聚變反應,並以第二次世界大戰中一個名稱叫「小男孩」的原子彈來舉例,相信大家已經了解了核聚變中最樸素的基本過程和原理。那麼今天再跟大家說說促使核聚變發生的一個先決條件:溫度最少升高到一千萬度!天啊,一千萬度是一個什麼概念?是的,這樣的超高溫只能在恆星的中心!
  • 恆星核聚變無法生成金元素?那金元素是怎麼來的?
    恆星會發光的原因是恆星的內核會發生核聚變反應,而恆星聚變反應的同時就是在製造原子序數更大的元素,那具體是咋回事呢?恆星的個頭實際上都非常大,質量也很大,就拿太陽系的情況來說,太陽就佔據整個太陽系總質量的99.86%,是地球質量的33萬倍。地球等類地行星在太陽系中都很渺小,幾乎可以忽略不計的存在。
  • 太陽核心溫度只有1500萬攝氏度,為什麼會發生核聚變反應?
    後一階段則是利用原子彈爆炸產生的能量,使氫彈中的氫同位素氘和氚在高達1億攝氏度的環境下,發生核聚變反應,生成氦4原子核,同時釋放更大的能量。作為核聚變反應條件最低的氫,在現有人工控制下至少得需要1億攝氏度的高溫,這一點與「人造太陽」原理基本相似。
  • 恆星為何會有不同的顏色?宇宙中有比太陽溫度還高的恆星嗎?
    太陽是一顆恆星,其向外釋放的能量,來源於內部每時每刻都在進行著的核聚變反應,對於太陽這種規模的恆星來說,其主要成分為氫和氦,現階段所進行的核聚變主要是以氫聚變為氦為主,具體來說,就是在核心區的高溫高壓條件下,通過一定機率的量子隧穿效應,使氫原子中的質子突破了原子核之間庫侖力的排斥,從而進入到另外的原子核之中,與另外的質子結合形成氫的一種同位素-氘,繼而再聚合為氦
  • 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。因為按照經典物理學的模型計算,在太陽這樣的天體當中要讓氫元素發生穩定的核聚變,需要上百億度的高溫,這遠遠超過了當時估計的太陽核心溫度。直到1928年,科學家喬治·伽莫夫提出量子隧穿效應,才真正詮釋了愛丁頓理論的機制。
  • 太陽會變成黑洞嗎?
    太陽是一種恆星,恆星有點像有生命的個體,也會有從出生,壯年到死亡的演化歷程。恆星肯定會「死亡」,但「死亡」的狀態不一定是黑洞。至於太陽會不會變成黑洞,要從一些基本概念講起。一般的,質量大於0.1倍太陽質量的原恆星,其核心引力坍縮導致溫度高達上千萬度,會引發核聚變,聚變會釋放大量的能量並向外輻射,當輻射斥力與引力平衡,恆星就能穩定存在,從而開啟了主序星階段的演化。 三、太陽的歸宿 因為恆星總是不斷地向外釋放能量,它自身的能源總會有耗盡的那一天。
  • 《流浪地球》中的重元素核聚變技術是什麼?現實中能夠實現嗎?
    每一臺行星發動機可以產生150億噸的推力,可能不少人會好奇,這些發動機使用的動力是什麼?燃料是什麼?要知道這一萬多個巨大的行星發動機肯定是非常強大的,否則也不可能將地球推離太陽系,讓地球成為流浪行星。而且如此多的行星發動機也需要很多燃料才行,這種燃料必然非常常見才行,否則就無法滿足它們的運行。
  • 核聚變反應需要上億度高溫?怎麼測量?溫度到底是什麼?
    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?今天我們就來聊聊關於「溫度」的故事。1. 溫度的實質是什麼?
  • 黑矮星最後會變成什麼?科學家模擬10^32000年後黑矮星爆炸坍縮
    因為物質越來越稀薄,所以大約10^100年後,宇宙中將不再誕生新的恆星,璀璨閃耀的星系將逐漸變暗,就連黑洞也得餓著肚子,在漫長的霍金輻射蒸發之後只剩下一些亞原子粒子和能量。宇宙空間的膨脹使各個局部的能量冷卻,最終將接近絕對零度(0開爾文),整個宇宙的熵(有序或無序的程度)也達到極致。
  • 太陽的壽命還有多少年 太陽毀滅後人類會怎樣
    當達到一定臨界條件時,氫原子之間開始引燃核聚變過程,氫原子(各包含一個質子)聚變為氦原子(包含兩個質子和兩個中子)。這一過程會以光和熱的形式大量釋放能量,而這會產生自內向外的擴張力,從而阻止其他進一步塌縮的進行。當這兩股力量達到平衡狀態時,一顆恆星便就此誕生了。一顆恆星內部的氫燃料足夠維持其持續發光發熱長達數十億年的時間。
  • 宇宙中的恆星有五彩斑斕的顏色,為什麼太陽看起來偏偏是黃色的?
    而恆星卻是一種時刻都處於「暴躁」狀態的天體,一般來說恆星內部有著數百萬度的高溫,並且它的內部時刻都在發生著核聚變反應。恆星內部想像圖核聚變反應說的直白一點就是氫彈爆炸的原理,也就是說每一顆恆星就像是一個時刻都在核爆炸的試驗場,而這些核聚變反應又會釋放出大量的能量以及各種輻射,其中就包括我們人類能看見的可見光。
  • 太陽成為面冷心熱的紅巨星後,核心是怎麼變成一顆白矮星的?
    我們知道像太陽這樣的低質量恆星,最後都會成為一顆發著熒熒白光的白矮星,而在成為白矮星之前,太陽核心的變化,像極了一個歷經風雨之人的心境。恆星,宇宙中最古老的家族,最早可追溯至大爆炸後3億年的黑暗時代末期。這是一個驅趕黑暗的家族,是夜空裡被簇擁的明星,是萬千宇宙子民的心之所向。然而耀眼的恆星絕非恆古長存,像人類一樣,恆星也有誕生、衰老和死亡。
  • 當太陽最終變成紅巨星時,地球會被太陽吞噬?
    我們可以問一些關於宇宙的存在的問題,這些問題不僅會讓我們超越人類的極限,而且會超越地球上的生命。隨著時間的推移,太陽會變熱,核聚變的速度會加快,最終輸出的能量會達到地球海洋沸騰的程度。再過10億或20億年,這可能會使地球上的生命完全湮滅。
  • 中國核聚變取得重大突破,「人造太陽」首次放電成功
    其採用的先進裝置以及結構與控制方式試驗成功,取得重大突破,對於一直鑽研核聚變發展的中國意義非凡,中國再次成功向未來核聚變堆試驗運行邁進一大步,並為中國未來核聚變示範堆和商業堆的自主設計與研發製造奠定基礎。 據報導,完成新一代「人造太陽」首次放電的是中國環流器二號M裝置項目,於2009年批准在中國成都建成。
  • 太陽是前代恆星死亡後產生的,那前恆星的殘骸呢?這種死亡無殘骸
    超新星爆發代表著恆星主序星階段的結束,因此可以成為一種死亡,天文學上通常也是這麼稱呼的,然而超新星爆發之後,又生成了新的天體,即中子星或者黑洞,因此超新星爆發也是中子星或者黑洞的新生,同時它產生的大量星雲也會促進其他恆星的誕生,再如la型超新星爆發,整個星體都會爆炸後散作星雲,這都為其他恆星的形成提供了充足的原料。
  • 太陽為什麼要變成紅巨星,禍害整個太陽系?它已經忍了很久了
    2、太陽的能量產生機制:質子反應鏈質子反應鏈的第一步 兩個質子的氕反應生成氘,如上圖。真正的過程是這樣的,兩個質子首先聚變成氦-2,但這種元素極不穩定,會釋放一個正電子和中微子,變成1質子+1中子的氘。但這個過程極其緩慢,假如太陽內部只有這兩個質子的話,也許要過上十億年才能發生這樣一次機會,為什麼可能性會那麼低?
  • 氦閃是什麼?太陽會發生氦閃嗎?太陽發生了氦閃地球會怎樣?
    氦閃是什麼?氦閃是一種強烈的天體活動,主要發生在恆星的主序星階段末期。那麼恆星為什麼會發生氦閃呢?恆星是宇宙中可以發光發熱的天體,而恆星的光和熱全部來自於恆星之上的聚變反應,在恆星的主序星階段之中,參與聚變反應的元素是氫,所以又稱為氫核聚變。氫作為恆星的主要燃料並不是無窮無盡的,既然不是無窮無盡的,那就必然會有耗盡的那一天,當恆星上的氫元素耗盡之後,恆星會怎樣呢?當恆星上的氫元素燃燒殆盡之後,恆星並不會因此而熄滅,恆星上的聚變反應會進入到一個新的階段。