從某種意義上來(lái)說(shuō),整個(gè)太陽(yáng)能量是永遠(yuǎn)也耗不盡的??茖W(xué)家說(shuō)太陽(yáng)壽命約100~110億年,是根據(jù)太陽(yáng)這種質(zhì)量恒星,核心壓力和溫度導(dǎo)致的核聚變速度,從而計(jì)算出消耗燃料的速度,多久會(huì)讓核心部分的氫燃料消耗殆盡,從而得出其壽命的。
所有恒星都是消耗完核心的氫燃料,氫核聚變就會(huì)停止,由此主序星階段結(jié)束,進(jìn)入不穩(wěn)定的演化后期。
注意,這里說(shuō)的是“太陽(yáng)核心”的能量耗盡,而不是整個(gè)太陽(yáng)的能量耗盡了。研究認(rèn)為,太陽(yáng)的核聚變發(fā)生在太陽(yáng)半徑四分之一的核心處,也就是只占了太陽(yáng)這個(gè)巨球的核心一小部分,用的也僅僅是那個(gè)區(qū)域的燃料。
太陽(yáng)能量來(lái)源太陽(yáng)的能量像所有恒星一樣,都是來(lái)自核心的氫核聚變。也就是由于恒星巨大的質(zhì)量形成的引力向心壓力,導(dǎo)致核心部分形成約1500萬(wàn)度,3000億個(gè)地球海平面大氣壓的高溫高壓狀態(tài),在這種狀態(tài)下,氫原子核外電子被驅(qū)離,裸露的氫原子核與核之間發(fā)生劇烈碰撞而融合,持續(xù)進(jìn)行著4個(gè)氫核融合成一個(gè)氦核的過(guò)程。
這就是所謂核聚變。在這個(gè)過(guò)程,會(huì)發(fā)生約0.7%的質(zhì)量虧損,正是這點(diǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量,以電磁輻射的方式從核心通過(guò)輻射和對(duì)流,來(lái)到太陽(yáng)表面,再以光和熱的方式釋放到太空。這個(gè)能量有多大呢?科學(xué)家經(jīng)過(guò)對(duì)太陽(yáng)的光譜觀測(cè)分析和計(jì)算,得出像太陽(yáng)這種質(zhì)量的恒星,每秒鐘消耗的氫約6億噸,轉(zhuǎn)化為約5.958億噸的氦,虧損了0.7%的質(zhì)量就是420萬(wàn)噸/s(秒)。
這個(gè)能量有多大呢?根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程E(能量)=M(質(zhì)量)*C^2(光速平方),420萬(wàn)噸質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量約3.78*10^26J(焦耳)/s的能量,地球在茫茫太空中能夠承接其中的22億分之一,約1.72*10^17J/s的能量,相當(dāng)于1000萬(wàn)座三峽大壩源源不斷發(fā)電總量。
太陽(yáng)核心巨大能量輻射壓,抵御住了自身巨大質(zhì)量形成的向心引力壓,形成了一個(gè)平衡,讓太陽(yáng)穩(wěn)定源源不斷地燃燒了46億年,還能燃燒54億~64億年,這就是太陽(yáng)的主序星階段。那么太陽(yáng)一生能夠燒掉多少氫呢?總共虧損了多少質(zhì)量,占太陽(yáng)整個(gè)質(zhì)量的比重是多少呢?
我們可以簡(jiǎn)單計(jì)算一下:太陽(yáng)總體積約1.41*10^18km^3(立方千米),太陽(yáng)核聚變只是在太陽(yáng)半徑核心1/4處進(jìn)行,這部分體積約為2.2*10^16km^3,因此使用的燃料體積只占太陽(yáng)總體積的約1.6%。由于核心在高壓下密度比表層大很多,因此實(shí)際質(zhì)量比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于體積比重。
太陽(yáng)每秒鐘燒掉6億噸氫,質(zhì)量虧損420萬(wàn)噸。1年31557600秒,我們按照110億年計(jì)算,就是約3.471336*10^17s,要燒掉約2.08*10^29kg的氫,虧損質(zhì)量約1.46*10^27kg。
太陽(yáng)總質(zhì)量為1.9891*10^30kg,燒了110億年燒掉的氫占太陽(yáng)總質(zhì)量的10.46%,虧損的質(zhì)量占太陽(yáng)總質(zhì)量的0.0734%。太陽(yáng)總質(zhì)量里面,氫約占有75%,即便按照太陽(yáng)氫的總質(zhì)量計(jì)算,110億年也僅僅用了太陽(yáng)總氫量的不到14%。
太陽(yáng)在110億年壽命的整個(gè)階段,燃燒的速率和消耗量并不完全是一樣的,前期會(huì)慢一些,后期會(huì)快一些,但大致可以按照這個(gè)平均數(shù)來(lái)計(jì)算。這樣我們可以看出,太陽(yáng)一直到壽終正寢,并不是所有能量耗盡了,能量還充足得很呢。
既然還有很多燃料,恒星為啥會(huì)死亡呢?這是由于恒星演化規(guī)律所致。所有的恒星主序星時(shí)間都是最長(zhǎng)的,約占恒星總壽命的90%以上。因?yàn)楹阈切纬蓵r(shí)期以及演化末期,都極不穩(wěn)定,時(shí)間也較短,因此,一般壽命就是指其主序星時(shí)間段。
恒星的壽命受質(zhì)量制約,質(zhì)量越大壽命越短,反之越長(zhǎng)。紅矮星壽命最長(zhǎng),可達(dá)數(shù)百億年乃至數(shù)千億年數(shù)萬(wàn)億年。宇宙誕生才138億年,因此迄今還沒(méi)有一顆紅矮星進(jìn)入中老年,更別說(shuō)死亡了。大質(zhì)量恒星有的只有幾百萬(wàn)年壽命,如r136a1這顆迄今被人們認(rèn)為已知最大質(zhì)量恒星,質(zhì)量有太陽(yáng)的200多倍,預(yù)測(cè)其壽命只有約300萬(wàn)年。
不同質(zhì)量的恒星都是因?yàn)楹诵牡臍淙紵M,其實(shí)外圍還要很多氫,但這些氫不會(huì)到中心去參與核聚變,在死亡時(shí)會(huì)通過(guò)膨脹慢慢消散到太空,或者超新星爆發(fā)被炸散到太空,回歸自然,成為再生星云,下一次恒星誕生的原材料。
不同質(zhì)量恒星死亡后留下的殘骸也不一樣,有的被爆炸得什么也沒(méi)有,有的會(huì)留下一個(gè)尸骸。太陽(yáng)死后會(huì)留下一顆白矮星,有些大質(zhì)量恒星會(huì)留下一顆中子星或黑洞。這不是本文討論的范疇,有興趣者可以查閱我過(guò)去發(fā)的文章,在此就不贅述了。
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