太阳是我们太阳系绝对的老大,其质量占到了整个太阳系总质量的99.86%。太阳依靠着内部的核聚变,向外界释放源源不断的光线和热量,“温暖”着整个太阳系,并且为地球生命的形成和演化创造了最基础的光热条件。由于太阳每时每刻都在依靠着氢核聚变为氦的过程提供能量源泉,也在此过程中不断亏损着质量,但是为何太阳的大小没有发生明显改变呢?
其实每颗恒星的形成和演化历史,和生命的诞生、成长和衰亡过程异曲同工,都是在孕育中酝酿、在一个临界点激活、在发展中消耗、在沉寂中死亡。根据科学家们推测,在现在太阳所处的空间区域,原本存在着大量星云物质,其成分主要以氢气为主,另外还包含一定量的氦气、氮气、星际尘埃和一些电离气体,而这些星云物质的来源,科学家们认为主要有2个来源和2种驱动力,其中2个来源分别是:
宇宙大爆炸之后,形成了众多由星际尘埃和轻气体物质,随着宇宙膨胀在宇宙空间中均匀分布,这些物质成为以后宇宙中各种天体组成的基础物质来源。
上一任恒星生命晚期的产物,一方面是大质量的恒星最终爆发喷出的物质,一方面是较小质量的恒星在生命晚期残留的气壳物质。
其一是宇宙大爆炸之后的冷却,使得宇宙中的辐射环境从高能辐射慢慢趋于微波背景辐射,较轻的气体元素氢核与氦核随着温度的降低,逐渐形成原子结构,局部区域的气体物质微观粒子之间的引力不断增强,超过宇宙膨胀的压力之后慢慢地呈聚集态。
其二是相对密集的星云物质,在附近有大质量恒星的引力波动影响下,比如超新星爆发,星云的组成物质之间开始进行频率很高的碰撞和摩擦,使得某些区域星云物质密度越来越高。
正是在以上条件和驱动力的基础之上,太阳形成之前区域的星云物质越聚集越多,形成了密度相对最大、温度逐渐提升的核心,然后周围的星际物质开始围绕着这个核心旋转,在旋转的同时,距离较近的星际物质在核心引力的吸引下,被吸进核心区域,从而使得核心的质量和温度越来越高,形成了推动核心区质量越来越大的良性循环。
太阳因核聚变不断亏损着质量
在以上形成的太阳“胚胎”的基础上,由这个核心的质量引发的越来越大的万有引力,最终将当时处于太阳系范围之内的绝大星际物质都吸入了她的怀抱。而在此之前,决定太阳能够成为恒星有一个关键的临界点,那就是触发核聚变的临界点。通过科学家们的测算,当恒星初始状态的内核升温达到700万-1000万摄氏度时,就会激发组成物质中的最轻元素氢发生核聚变反应,由四个氢原子聚合成一个氦原子,同时释放两个正电子,在此过程中发生了极小的质量亏损,亏损的质量约为0.031u,按照爱因斯坦质能议程,所释放的能量为E=mc^2=2.8*10^7电子伏特,合4.6*10^(-12)焦耳。
接下来,科学家们通过太阳、地球之间的万有引力相互关系,测算出太阳的总质量为1.989*10^30千克,然后再依据太阳的年龄、质量的综合分析,测算出氢元素在太阳内核中的比例约为70%,折算出太阳每秒中参与核聚变的氢总量为7亿吨,而经过核聚变每秒损失的质量要比这个低很多,而且与太阳的总质量相比可以忽略不计,但是将时间放长到46亿,那么太阳损失的质量就很可观了,差不到近100个地球或者1个土星的质量。
太阳在演化过程中两种力量持续在进行对抗
太阳内核每时每刻都在进行着剧烈的核聚变,这种能量的释放是非常世大的,我们现在所进行的可控核聚变,正是想模拟太阳内部的核聚变原理,通过高温的方式推动氢元素的核聚变,从而获取巨量的能量输出,但是“人造太阳”要实现的难度很大,主要原因就是这个反应需要的温度很高,而且压力要非常大,在短期内我们想要创造约束性的聚变环境很难。
而我们看到太阳在这么强的聚变以及能量释放过程中始终保持稳定,得益于两种力量的平衡,这两个力量即恒星辐射压以及恒星本身的重力。在恒星进入主序期以后,在内核发生核聚变的同时,向外释放着辐射压力,推动着恒星体积有向外膨胀的趋势,同时阻止星际物质的进一步吸收。而恒星本身的重力,源于万有引力作用,使得恒星外部物质都有着向内部塌缩的趋势。这两种力的拉锯过程,使恒星始终处于一个周而复始的循环状态,这个循环的主要阶段是:
随着内部核聚变的持续进行,恒星内核温度升高;
向外的辐射压增大,体积向外膨胀;
参与聚变的原料数量减少,核聚变程度减弱;
温度降低,辐射压降低,重力作用占据上风;
恒星外层出现引力塌缩,恒星体积减小;
体积的减小,使内核压力增大,推动核聚变效率重新提升;
恒星温度上升,体积膨胀;
以上过程的持续,是恒星普遍发生的短周期变化,正是在由核聚变和自身重力两个力量的对抗下,组成恒星的物质受到一种动态的力平衡,因此我们看到的处于主序期内的恒星体积并不会发生太大变化。
而在10亿年之后,随着太阳内部氢元素的持续消耗,参与核聚变反应的原料将越来越处于告急状态,这个时候内核温度缓慢下降,太阳先开始出现明显的引力塌缩,然后在压力急剧增大的同时,激发氦的核聚变,然后释放更强大的辐射压,推动太阳外层物质快速向外膨胀,于是开始向着红巨星的方向发展。待到40-50年之后,由太阳形成的红巨星正式形成,达到体积最大,其外围已经吞噬到火星的轨道,直接逼近地球。
此后,由于氦的核聚变过程较氢要迅速得多,太阳在形成红巨星之后仅能持续2-3亿年,而太阳的质量不能支持后续的核聚变,所以此后太阳内部的核聚变将会逐渐停止,引力塌缩效应使得太阳体积迅速收缩,形成白矮星,静静地在宇宙中散发最后的余温,最后沉寂形成黑矮星,完成它壮烈而又灿烂的一生。
太阳内部虽然持续在进行着大量氢的核聚变反应,每时每刻都在亏损着质量,但是由于太阳本身存在着向外的辐射压和向内的重力两种力量的对抗,使得表层始终处于一种动态的平衡状态,在太阳的主序期以内是看不到比较明显的体积变化的。
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