在太阳释放能量的持续输入下,推动着人类文明不断向前发展,而地球上的万事万物依靠着太阳辐射能量,也在发生着规律性的发展和演化。不过,宇宙的所有物质,也像生命一样,都有着生老病死的规律,太阳也不例外,根据科学家推测,随着太阳内部参与核聚变的物质越来越少,在50亿年之后就由于体积的剧烈膨胀,吞噬地球现有的轨道,那么发生这种现象的推动力是什么呢?这还要从太阳内部的核聚变进程谈起。
太阳释放能量的机理
太阳形成于原始星云,其内核是在不断吸聚周围原始星云中的气体和星际尘埃等物质发展壮大的,在长期的吸聚过程中,由于质量的不断增大,在引力作用下,使这些轻物质发生坍缩,内核温度和压力逐渐升高,达到氢元素核聚变的万摄氏度时,就会激发核聚变的链式反应,从而向外释放大量的光和热。
在微观粒子层面,组成太阳内核的最轻物质,氢原子在高温高压下,会在量子隧穿效应的作用下,4个氢原子聚合成1个氦原子,在此过程中形成一定程度的质量亏损,释放出一定量的光子和能量。虽然质量亏损率还不到1%,但是由于太阳质量的巨大,参与核反应的氢原子数量非常非常多,因此从整体上看,同时间产生的质量亏损可以达到上百万吨,从而释放的能量异常巨大,根据测算,太阳每秒释放出的能量达到10^26焦耳级别,相当于数亿颗巨型原子弹同时爆炸产生的能量。
由于太阳在核聚变过程中能量的释放,一方面使得内核温度始终保持在一个相对稳定的状态,另一方面会产生一个向外的辐射压,在阻止外壳物质因重力向内坍缩的同时,也会阻止太阳对外围星际物质的继续吸收,因此一旦开始核聚变,那么在质能相互转换的过程中,其质量会不断地减少,不过这个减少的速率,与其总体质量的占比非常低,因此核聚变的进程会被拉得相当长。
太阳体积的决定因素
虽然太阳的总质量因核聚变发生着持续地缩减,但是在两种方向相反的力的作用下,其体积会有相应变化的趋势,体积的变大抑或变小,取决于哪个力占据上峰。这两个力是:
辐射压力。在太阳内核进行核聚变的同时,由于释放的光子和能量的方向是向外的,因此恒星物质从内向外,都有被电磁辐射引发表面增压的趋势,形成辐射压,推动这些物质逐渐向外扩散。据科学家计算,恒星的辐射压与温度的四次方成正比,因此恒星内核温度越高,向外的辐射压力增速非常明显。重力。无论何种星体,在其诞生之初,由于其吸聚的星际物质主要以气体为主,导致其整体密度都不是太高,那么在万有引力作用下,外部的物质都有向内部坍缩的趋势,而且星体的质量越大,这种受重力影响而发生坍缩的趋势就越强烈。即使是能够源源不断向外释放能量的恒星,由于其整体质量非常庞大,其外部有着比其它星体更强烈的重力作用。
太阳外形之所以能够维持相对稳定,主要来源于上述两种力量在对抗中的平衡,当辐射压力增大可以克服重力影响时,其体积就会发生膨胀;而如果重力占据上峰,则外壳物质就会向内坍缩,外在的表现就是体积减少。也就是说,太阳体积的变化取决于向外的辐射压力与向内的重力二者“拉锯战”的结果。
太阳体积的变化
虽然在太阳主序期内,我们看到其体积是相对稳定的,没有明显的改变,但实际上,随着核聚变的进行,内部物质消耗的不断持续,上述两种力的对抗会呈现出微弱的波动,从而表现出两种作用力的平衡被打破,表现出微弱的体积变化。
体积减小阶段:随着内核氢元素的逐渐消耗,参与核聚变的物质原料就会逐渐减少,内核温度出现下降,向我核辐射压相应减少,外壳重力占据上峰,外层的物质就会在重力作用下不断向内沉陷,太阳体积就会收缩。
体积增大阶段:随着外层外物的坍缩,在与内核的激烈碰撞下,释放大量的能量,从而使内核的温度从下降改变上升。同时,外部物质中有大量未参与核聚变的氢元素,补充进内核之后,会在升高温度的作用下,成为新一轮核聚变的输入物质,内核的聚变作用就会重新变得强烈起来,内核温度持续上升,辐射压逐渐占据上峰,推动恒星向外膨胀。
上述两个过程,是始终出现在太阳的主序期之内。根据科学家们的推测,这种“拉锯战”将至少可以再维持10-20亿年。而在10-20亿之后,太阳内部的核聚变进程就会发生翻天覆地的变化,主要原因就在于内核之中参与核聚变的氢元素已经微乎其微,引发外层物质的剧烈坍缩,引起内核温度的急剧上升,达到了之前逐步积累的聚变产生-氦元素的核聚变条件,从而以更强烈的聚变反应、更高的温度和更高的压力进行着新周期性的核聚变。
氦元素的核聚变产生的辐射压要明显比之前的要高出很多,因此推动恒星外层物质重新向外膨胀,而且膨胀的程度要比之前任何时候都高,于此同时,外层残余的氢元素在高温作用下,在表面即进行着核聚变反应,逐渐形成红巨星。在太阳变为红巨星之后,其半径会比现在大几百倍,逐步吞噬水星、金星甚至地球的轨道。
总结一下
太阳形成红巨星,半径增大现在的几百倍,其主要原因在于内部的核反应机制,在外层物质剧烈坍缩的影响下,产生的高温高压推动氦元素的核聚变反应,从而大辐增加向外的辐射压,使太阳组成物质急剧向外扩张形成红巨星,从而吞噬近日轨道上的部分行星。在强烈的辐射压影响下,组成太阳的外围物质会大量脱离太阳引力的束缚,形成强烈的太阳风,对外围行星的大气层产生致命影响,而且在随着与太阳距离的接近,那包括地球在内的行星表面温度会大辐攀升,届时地球的生命势必全部烟消云散。不过不要过分悲观,这个时间还相当漫长,几十亿年之后的人类文明估计已经发展到相当发达,流浪地球或许能够实现,说不定已经找到很多可以供人类居住的新星球,我们早已通过星际移民在新星球上开始崭新的生活。
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