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!

2021-02-08 騰訊網

@小哪吒聊科學原創的第12篇科普科學,拒絕任何形式的洗稿或抄襲,違者必究!

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!我們肉眼所見的具備超高溫的星體就是太陽,但除了太陽之外,宇宙中具有這樣高溫度的星體數不勝數。

廢話不多說,請大家跟我來到宇宙大爆炸之後不久的混沌時空中,在那裡,發生了太多高溫促使核聚變發生的情況。不誇張地說,那時候的宇宙幾乎每一分每一秒都在發生著核聚變反應。它們好像在孕育著什麼,但這種孕育並沒有什麼人指使它們,完全是一種自主自願的行為,這也許就是宇宙最神奇,最玄妙的所在。

是的,宇宙大爆炸之後的幾億年,沒有人確定說太空中有什麼暗物質,就目前的科技水平來說,也沒有足夠充實的證據證明那裡有什麼玄機,但無可置疑的是,核聚變一直在「緊鑼密鼓」地進行著!

那時候的宇宙比較「單純」,因為那裡只有氫氣、氦氣和其它非常少的微量元素。按照宇宙膨脹的理論,宇宙一邊膨脹著,一邊降低著溫度,但萬有引力無時無刻不再發生著作用,在這種引力的作用下,所有的氣體和其它元素都在「向內」收縮,你可以理解為「宇宙塌縮」!這個名詞是所有天文愛好者都能接受的名詞!

宇宙塌縮的過程就像重物下降的過程,速度肯定越來越快,在這種極快的速度中,所有氣體都因為互相摩擦變得越來越熱,它們一邊發熱一邊發生著反應,慢慢的,這些氣體的密度變得越來越大,直至形成超級大的氣團。但請大家相信,當溫度還沒有達到一萬度的時候,它們之間的反應還沒有發生質的飛躍。

直到溫度達到一萬度的時候,電子就「熱」得受不了了,它會離開原子核固有的軌道,去加速運行。這個時候,電子形成了「質子+電子」的氣團,也就是我們通常所說的「等離子體」!這些等離子體繼續在萬有引力的作用下,繼續高速坍塌。也就是說,溫度哪怕達到了一萬度,這些氣體還是要坍塌。

直到溫度達到了一千萬度,好了,坍塌終於停止。因為,若干的質子和中子終於在強核力的作用下緊緊地團結在一起了,它們變成了氘核,是的,氘核形成的過程就是一個核聚變的過程,同時,能量被和釋放出來!而氘核又和其它的質子形成氦,這個轉化的過程繼續釋放著能量。這越來越熱的氣團,促成了宇宙中的光芒,促成恆星的生成,又成為不斷發生著聚合作用的核能源!無人能阻擋,無時無刻不在進行!

這些無窮無盡的變化,讓恆星內部的溫度出奇的高,高到接下來的幾十億年的時間裡,它能夠抵禦萬有引力,不再繼續坍塌!

然後,冷若冰霜的行星變得暖和起來,水滴也開始融匯成河流,只有一個水母甚至少量生物的世界開始孕育,適應條件的物種開始不斷形成,我們的世界變得豐富多彩了,五彩斑斕了!

是的,這個世界離不開核聚變,正是核聚變促成了恆星的生成,但恆星會「永生」下去嗎?如果有一天,核聚變反應不能再抵禦萬有引力,會發生什麼?或者說,核聚變反應和萬有引力會發生「不是東風壓倒西風就是西風壓倒東風」的情況嗎?

我忍不住要拿我們大家都熟悉的太陽舉例了!我們喜歡說太陽是我們人類的母親,因為太陽給我們地球提供光和熱,促使地球得到源源不斷的能源,提供我們人類得以生生不息的條件!但是,太陽已經步入中年,它不停地燃燒著,用盡全力把氫變氦。這個過程,它付出著「沉重的代價」,因為它每秒鐘就要燃燒掉400萬噸的質量!

這種「自殺」一般的做法早晚有一天會讓它「蠟炬成灰淚始幹」,畢竟,它不能永遠燃燒下去!這是我們不得不接受的現實!如果氫氣都燒乾淨了,是的,它無法再發生核聚變反應了,就是說,太陽再也沒有了向外的壓力來抵禦萬有引力,那只能發生唯一的也是必然的情況——坍塌!

然後接下來的情況就是我們文章開頭說過的了,太陽向內坍塌的過程類似於宇宙大爆炸之後幾億年的情況,哪怕是少量的氫和氦,它們也會在萬有引力的作用下迅速「下墜」,它們快,它們熱,它們一直熱,然後溫度達到了一萬度,不行, 還要繼續熱,終於,達到了一千萬度,好了,這個時候,核聚變反應再次發生,氘核出現,氘核又與其它的質子融合,然後變成氦,然後繼續釋放能量。

熱,熱,熱,終於,溫度達到了可怕的一億度,氦開始燃燒了,巨大的核能源也積攢得足夠多了,又有力氣對抗萬有引力了!此時,恆星的坍塌終於停止了,更重的物質會產生,比如碳!到這裡事情就結束了嗎?並沒有!當氦也燃燒得差不多的時候,恆星會繼續坍塌,當溫度達到可怕的五億度的時候,炭開始燃燒,並產生更重的元素鐵……

是的,我們的恆星就是這樣演變著,不以人力為轉移的平衡著!而核聚變反應就是這樣的神奇,它與我們的地球變得溫暖密切相關,與我們太陽的壽命密切相關,與宇宙的起點和終點密切相關,而我們在探索宇宙奧秘的過程中,一直是稚嫩的孩童,幸運的是,我們一直沒有放棄對宇宙探索的熱愛!

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    核聚變反應的發生,有一個重要的前提,就是需要極高的溫度。有多高呢? 目前聚變界常規的「小目標」都是:一億度!因此,啟動氫彈裡面的核聚變反應,首先需要一顆原子彈做「引信」,而對於磁約束核聚變裝置,為了實現這一億度的高溫,則需要龐大的加熱系統提供能量輸入。
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    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。
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    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?
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    宇宙是大爆炸形成的,那麼大爆炸之前,世界又是一番怎樣的景象?星辰大海,無邊的宇宙一直以來就是無數科學家所探求的極致。對於宇宙,有著太多太多的未解之謎。比如宇宙的形成,宇宙的膨脹以及宇宙的終結。《大爆炸理論》最初是由比利時著名天文學家勒梅特所提出的,他認為宇宙在爆炸之初本是一片混沌,物質都是以光子、電子、中微子等粒子存在。宇宙經過大爆炸後,就開始向外膨脹,導致這些密度極大的粒子向外擴散。隨著溫度的降低,這些粒子慢慢地形成原子、原子核和分子,然後才組成各種各樣的物質,它們在萬有引力的作用下,形成一顆顆恆星。
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    (「史蒂芬森2-18」和「盾牌座UY」)我們都知道,在宇宙中存在著數量超級龐大的恆星,根據天文學家的初步估計,在我們能夠看到的宇宙範圍內(即可觀測宇宙),就存在著大約700萬億億(7 x 10^22)顆恆星。
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    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
  • 什麼是宇宙當中的「紅巨星」?紅巨星又是如何產生的?
    什麼是宇宙當中的「紅巨星」?紅巨星又是如何產生的?所謂紅巨星,顧名思義,也就是外表為紅色(發出紅色光芒),體積十分巨大的恆星。紅巨星是恆星的生命末期,演化成為的一種體積龐大,質量較小的發光巨星。當恆星將內核中的氫燃料消耗殆盡時,熱核反應不再繼續發生,那麼恆星的內核就會因為引力的原因開始向內部收縮,燃燒就會轉移到外部的氫氣層。這時恆星的外層會不斷膨脹,燃燒產生的熱量擴散到宇宙空間,表面的溫度開始降低。同時恆星的可見光輸出會逐漸移向紅色,就開始了紅巨星的生命階段。
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  • 科學家發現:類太陽恆星經過氦閃後普遍可產生鋰元素
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  • 宇宙中的「棄嬰」:既不是行星,也不是恆星,不會放光,何其孤獨
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    太陽中心正在進行核聚變反應,大量的能量被釋放出來,使得太陽非常熱,其表面溫度一般可達5500 ℃。在如此之高的溫度下,人類所能製造出的最高熔點材料也會熔化掉。因此,人類無法從太陽上直接獲得物質進行研究。那麼,天文學家又是如何知道太陽的成分呢?答案就在於太陽光之中。