假如太阳即将熄灭,留给人类的时间还有多少?

文章摘自网络

在小说《流浪地球》中,科学家发现太阳异常,并预测太阳将进入红巨星膨胀阶段,在接下来的数百年时间里淹没地球轨道。红巨星是恒星燃烧到后期所经历的一个较短的不稳定阶段。为了自救,人类提出一个名为“流浪地球”的大胆计划,即倾全球之力在地球表面建造上万座发动机和转向发动机,推动地球离开太阳系,用2500年的时间奔往新家园。

的确,在现实中,天上的星星也和人一样,也有生老病死,也要经历“人生的各个阶段”。

不过,星星的寿命要比人类个体的寿命长得多,经常都需要以“亿年”为单位来计算!不只是文学创作喜欢拿太阳做文章,天体物理学家们最感兴趣的也是像太阳这样的恒星。

从天文观测的角度看,恒星才会主动发光,而行星只是被动地反射或折射恒星发出的光线而已。恒星的质量较大,强大的万有引力使它们“心中燃着一把火”,也使得它们的生命过程轰轰烈烈、多姿多彩,急遽变化。

科学家们将各类恒星的诞生、老化、直至死亡的整个过程,称之为“恒星的演化周期”。根据恒星质量大小的不同,它们的演化周期(寿命)也大不相同。一般而言,恒星质量越小寿命越长,从几百万年到数兆年不等。

那么,首先让我们考察一下太阳系大家庭的主人,离我们最近的恒星-太阳。

太阳诞生于何时?经历了怎么样的生命周期?它还能照耀多久呢?太阳的“生死”决定了大家庭成员们的生死,也与我们地球上人类的生存息息相关,千万不可小觑。

目前的太阳,形状几乎是一个理想球体,中间是核心,然后是辐射带,最外层是对流带。恒星发光的原因是因为它们内部的热核反应,太阳也是如此。

公众熟知的核反应例子是世界上各个大国掌握的核武器:原子弹和氢弹。前者的物理过程叫做“核裂变”,后者则叫做“核聚变”。

裂变指的是一个大质量的原子核分裂成两个较小的原子核,聚变则是由较轻的原子核合成为一个较重的原子核,比方说氢弹,便是使得氢在一定条件下合成中子和氦。无论是裂变还是聚变,反应前后的原子核总质量都发生了变化。

爱因斯坦的狭义相对论认为质量能量是物质同一属性的不同表现,它们可以互相转换。在两类核反应中都有一部分静止质量在反应后转化成了巨大的能量被释放出来,这就是为什么核武器具有巨大杀伤能力的原因。


太阳内部的核聚变反应

太阳内部所发生的,是与氢弹原理相同的核聚变。

核聚变要求的条件非常苛刻,需要超高温和超高压。可是,在太阳的核心区域中却天然地提供了这一切难得的条件。那儿的物质密度很高,大约是水密度的 150倍,温度接近1500万摄氏度。

因此,在太阳核心处进行着大量的核聚变反应。太阳内部的热核反应,产生携带着大量能量的伽马射线,也就是一种频率比可见光更高的光子,同时也产生另外一种叫做中微子的基本粒子。

无论如何,太阳系大家庭的有用能量之来源是太阳核心的核反应。聚变反应的每一秒钟,都有超过400万吨的物质(静止质量)转化成能量。

如此一来,科学家们不由得担心起来:太阳以如此巨大的速度“燃烧”,还能够烧多久呢?

简单的计算可以给我们一个近似的答案。太阳的质量大约是 2x1023万吨,每秒钟烧掉 400 万吨,每年大约要烧掉 1010万吨。因此,如果太阳按照这个速度进行核反应,大约还能燃烧 1013年,即 100 亿年。


恒星的生命周期

太阳正处于“主序星”状态,太阳是在大约 45.7 亿年前诞生的,目前“正值中年”阶段。我们也不用在为它的生死存亡而担忧。

关于“主序星”阶段,是恒星演化的重要阶段。

恒星自身的引力在演化中起着重要的作用。世界的万物之间都存在引力,引力使得两个质量互相吸引。一个系统中,如果没有别的足够大的斥力来平衡这种吸引力的话,所有的物质便会因为引力吸引而越来越靠近,越来越紧密地聚集在一起,并且,这种过程进行得快速而猛烈,该现象被称为“引力塌缩”。

在通常所见的物体中,物质结构是稳定的,并不发生引力塌缩,那是因为原子中的电磁力在起着平衡的作用。

恒星的生命周期在恒星形成和演化过程中存在引力塌缩。所有恒星都是从分子云的气体尘埃坍缩中诞生的,随之凝聚成一团被称为原恒星的高热旋转气体。

这一过程也经常被称作引力凝聚,凝聚成了原恒星之后的发展过程则取决于原恒星的初始质量,因为太阳是科学家们最熟悉的恒星,所以在讨论恒星的质量时,一般习惯将太阳的质量看成是 1,也就是用太阳的质量作为质量单位。

质量大于十分之一(太阳质量)的恒星,自身引力引起的塌缩将使得星体核心的温度最终超过1,000 万度,由此而启动质子链的聚变反应,氢融合成氘,再合成氦,大量能量从核心向外辐射。当星体内部辐射压力逐渐增加并与物质间的引力达成平衡之后,恒星便不再继续塌缩,进入稳定的“主序星”状态。

质量太小(小于 0.08)的原恒星,核心温度不够高,启动不了氢核聚变,就最终成不了恒星。如果还能进行氘核聚变的话,便可形成棕矮星(或称褐矮星,看起来的颜色在红棕之间)。


如果连棕矮星的资格也够不上,便只有被淘汰的命运,无法自立门户,最终只能绕着别人转,变成一颗行星。

太阳的主序星阶段很长,100 亿年左右,到目前为止,太阳的生命刚走了一半。

来源:《揭秘太空:人类的航天梦》略有删改

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