为什么太阳能够燃烧百亿年?

辣条锅


太阳中心的热核聚变反应已经进行了约50亿年之久,还有50亿年的反应周期,这就是太阳能够燃烧100亿年的出处,也是太阳的寿命。

太阳是一颗黄矮星,黄矮星就是具有0.8到1.2倍太阳质量之间的恒星,在银河系约占3%(也有说占10%左右)。恒星的寿命是以恒星质量大小来决定的,质量越大的恒星寿命越短,质量越小的恒星寿命越长,同等质量的恒星,寿命都差不多。

所有和太阳质量一样的黄矮星寿命都在100亿年左右,所以太阳寿命也在100亿年左右。

科学家是如何知道恒星的寿命的呢?其中一个重要方法是通过球状星团法得到的。

科学家们假设这个星团的所有恒星都是同时诞生的,开始恒星都很年轻,但过了若干年就不一样了,有的就很老了,有的就很年轻。

就像我们观察人类社会看到了老中青少各种阶段的人,就知道大概人的寿命有多少,哪个阶段的人是什么样子。恒星也是这样,不同的恒星都有主序星阶段,就是正常稳定燃烧的阶段,但不同质量的主序星拐点的时间就完全不同,就是寿命不一样。通过这种方法就知道了各种质量恒星的主序星拐点,黄矮星一般寿命就是100亿年。

天文学家们持续不断的观测了宇宙数百年,对这些恒星的寿命就越来越能够精确的掌握了。赫罗图就是研究恒星关系的重要工具。

那么人类是怎么知道太阳现在的寿命呢?一个重要的方法就是放射性同位素法。

世界上的铀元素(化学符号为U)有两种同位素,U238和U235,它们的半衰期(放射性原子由于衰变使数目减少到一半所经过的时间)分别为7亿年和45亿年。我们通过测量地球和捕获的天体陨石碎片里这些元素的含量及比例,就可以得到太阳系天体的形成时间。

通过检测,地球上的铀矿主要成分为U238,占比99.2739%,U235只占0.7205%,根据二者的半衰期和现在的相对含量,推算出了地球的年龄约46亿年,再根据恒星形成过程,恒星比行星形成的更早,因此这个时间是太阳的年龄下限。

我们知道了像太阳这样的黄矮星寿命,又大体知道了太阳的年龄,所以就知道太阳还有约50亿年的寿命。

太阳最终的宿命是变成一颗白矮星,然后熄灭。所有的黄矮星都是这种归宿。

太阳的核聚变只是发生在太阳中心地带的核反映区,每秒钟都有6亿吨的氢元素聚变为5.96亿吨的氦,同时有400吨的氢转化为能量以电磁辐射的方式释放出来。

太阳的这种反应已经持续50亿年了,还有50亿年的寿命。并不是太阳的所有氢都燃烧完了,而只是中心核反映区的氢燃烧殆尽,辐射压与引力平衡被打破,就导致了太阳的稳定期终结,太阳开始进入极不稳定的回光返照期。

这时的太阳中心收缩,外围膨胀。成为一个半径扩大200~300倍的红巨星,经过10万年左右的不稳定期,外围没有烧完的氢和氦会渐渐消散到太空,形成新的分子云。其实这部分重归宇宙的氢和氦占太阳质量的绝大多数。

太阳内核会收缩为一个密度极大的白矮星,体积只有地球大小,上面的质量一个立方厘米达到10吨。

这就是太阳的归宿。

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时空通讯


太阳的质量大约是2×10∧30千克,相当于33.3万个地球,它的质量占整个太阳系的99.86%。

图:太阳与其他行星的比较

太阳的燃烧是通过核聚变反应释放的能量,它每分钟将6.2亿吨的氢聚变成氦,这个过程大约损失0.7%的质量,约434万吨质量。并释放出约9.2亿亿吨TNT炸药爆炸产生的能量,相当于18.4亿个目前最大的氢弹同时爆炸。即使是这样,在过去45.7亿年里,也只损失了100个地球的质量。

为什么太阳的核聚变反应不在整个太阳中同时发生呢?

核聚变反应的启动条件需要极高的压力和温度。太阳的表面温度约为5800K,核心温度为1360万K,且核心的物质密度达到了每立方厘米150克,所以只有在太阳的核心才会发生核聚变。

图:太阳结构

太阳的核心大约为半径的1/5~1/4以内。太阳产生热量的99%来自于24%的半径以内,核聚变反应在半径30%处几乎就停止了。所以,核聚变反应功率随着离核心的距离增大而减小。

在太阳核心处的核反应是一个动态平衡的过程,压力增大,核反应速率加快,辐射压就会抵消掉部分压力,核反应的速率就会降低。核反应速率降低后,压力就会增大……如此反复,达到一个平衡状态。

图:红巨星与太阳

即使是整个太阳的主序星阶段也无法将全部的氢燃烧完。它只会将核心处的氢核聚变为氦。大约在50亿年后,由于核心的氢已燃烧完,太阳会向内收缩,核心处的压力增大,氦核的温度上升,紧挨着氦核处的氢聚变反应的速率大大增加。产生大量的热量,热量迫使太阳膨胀,这时太阳变成了红巨星。它的半径将达到地球的轨道,很可能将地球吞噬。也有可能因为剧烈的太阳风的原因,会损失掉大约30%的质量,地球的轨道会向太阳系边缘移动,即使是这样,地球也会被烤干并失去大部分的大气。

图:太阳的演化过程

太阳核心的温度会持续增加,当温度达到1亿开时,就启动了氦的核聚变。氦的核聚变会生成碳。当氦全部转变成碳后,太阳就不再核聚变了。

在太阳的红巨星阶段,剧烈的热脉动会导致外层的气体逃逸,并形成行星状星云。这时就只剩下碳核心。这就是白矮星阶段。白矮星会在以后的数十亿年间慢慢冷却,成为黑矮星,直到宇宙的末日。

地球上的生命是等不到太阳变成红巨星这一天的。由于太阳的光度每过10亿年会增加10%,地球在10亿年后,地表水就会全部被蒸发,绝大部分生物会灭绝。所以,留给人类的时间只有几亿年了,在这之前,我们必须移居到离太阳较远的火星之上,并在太阳成为红巨星时,移居到更远的木星的卫星处。再以后,就必须离开太阳系了,因为太阳会在红巨星阶段发生多次氦闪,每次释放出的能量相当于主序星阶段的1000亿个太阳在那一瞬间释放出的能量。


讲科学堂


一堆柴火、一只蜡烛都需要时间才能够完全燃烧,虽然太阳发生的是核聚变燃烧,但也是需要时间的。



质量少的时候核聚变很快就会完全发生,但是太阳质量有1.989*10^30kg,是地球质量的33万倍,占整个太阳系质量的99.8%。如此巨大的质量,导致太阳核聚变并不能够瞬间完成。而且太阳发生核聚变还是一种可控核聚变,速度虽然快,但是相对于太阳的质量而言还是显得太小。



其实太阳发生核聚变的区域只限定于太阳的核心,因为只有太阳的核心才有足够的压力导致氢原子聚合,外围的氢原子是无法发生聚变的。而太阳核心的核聚变速度和太阳对核心的压力是相互匹配的,一旦核聚变速度变快,就会导致太阳向外膨胀的力大于引力,进而导致太阳核心膨胀和核心温度变低,从而降低了核聚变速度。可是,一旦核聚变速度过低,就会出现引力大于大于膨胀的力,从而使太阳核心收缩,温度升高,核反应速度增大。

这是这种自我调节的反馈机制,导致太阳的核聚变速度不快也不慢,保持一个稳定的值。



据科学家估算,太阳现在每秒中约有6亿多吨氢原子反应,其中约400万吨的氢核质量转变成了能量。而目前太阳质量中氦已经占了1/4,剩下的3/4是氢,氢原子质量大概是1.49*10^30kg,其中核心的氢质量占整个太阳的百分之6到9之间,所以这么算太阳还可以继续燃烧约50-70亿年。


科学探秘频道


理论上讲,你用直径500km的实心铅球裹住一个沙皇炸弹,当炸弹爆炸之后,中心产生的能量会将周围的铅气化并狠狠地推向四周,但是铅球实在太厚了,只能够在中心溶解掉一部分,能量慢慢向外散发,越到后面,温度越低,最后,只有少部分熔融的铅冲出来,形成喷射效应,然后就没有然后了。


你就发飙了吧,那是铅啊,不是氢。好吧,你把20枚沙皇炸弹下沉到马里亚纳海沟,它们的四周可是充满了海水的,海水的组成89%是水,是氢的氧化物,密度比太阳的平均密度高。H够丰富了吧?美国在海底试验了200多次热核爆炸,到现在我们的太平洋还是冰冰凉,没有连锁反应啊?


太阳的结构大致是这样子的,在形成的初期,氢分子慢慢汇聚,中心压力和温度提升到1500万度左右,越往外,温度越低,那时候,分子不能够存在了,外层电子被剥离,形成了一个个单氢离子,压力是几百万个标准大气压,离子之间的距离被大大压缩,比如本来两个离子的距离是北京到上海那么长,慢慢被压缩到北京到通州的距离,互相碰撞的几率增加,中心开始发生了热核爆炸,爆炸产生的光和热迅速传递给外围离子,体积瞬间增大,温度又降低了,等到重新汇聚,反应才得以继续,就这样子,太阳内部不间断地发生核爆,能量慢慢传递到外面,产生的光子在正常密度状态下,可以毫不费劲地穿透等离子物质,扛不住太阳内层等离子是紧紧靠在一起的,光子+热量在里面要花费几万年才能够冲出浓稠的等离子汤,抵达表面的时候,顶多就冒个泡而已,那就是日冕物质喷射,巨大的日冕抛射就是耀斑。


被剥离的电子被强大的引力束缚着,在太阳的表层乱窜,很难冲出太阳表面,电子流动产生的磁场又将电子柳扭曲成封闭的环,内部热核反应释放的电子,不断补充到电子留,总有一些环耐不住寂寞,挣脱磁场,突然挣破,抛射到星际空间,形成太阳风暴,数以亿吨的带电粒子已接近光的速度向外飞出,扫过水星、金星、地球,要不是咱们的地球有个巨大的磁场屏蔽,这些带电微粒直接就穿透我们的身体,把我们身体内的化学键冲得七零八落,化为灰烬。

(这就是电子闭环爆发,规模是几千公里级别)

太阳核心就这样慢慢消耗着氢离子,表面形成波动,也就是说,太阳的表面是起伏不定的,由于体积巨大,距离太远,人类无法观察到而已。


有些区域,暂时没有能量溢出,显得稍微黯淡,这就是太阳黑子,大小相当于月球面积,在太阳表面游离。经过观测,每隔11年,太阳黑子会形成一个峰值。也就是说,11年太阳才喘口气啊!

(人们通过观察太阳黑子,得知太阳是转动的)

太阳的活动是一个动态平衡状态,已经持续了50亿年,总体质量损失也只不过10%,还可以逍遥自在45亿年左右,等到几乎所有的氢核(只有一个质子)被合成了氦核(两个质子)后,太阳会有短暂压缩,氦核开始聚合成更重的原子核,释放出更大的能量,不过这样的核聚变极不稳定,是间断性的,俗称氦闪,外层的离子浓汤也被推到更远的地方,体积开始膨胀,表面温度降低,形成红巨星,这个时候,如果有人类还在地球上的话,每天你看到的日出是天空被太阳全部占据……,光辐射将地球上的所有水分气化,山川崩塌,这不是地球,是地狱。


经过几亿年的挣扎,氦核也用光了,太阳的末日就来临了,在最后几十万年内,氦核就逐步合成了碳、氧、钠、直到合成铁,铁核的出现,也只是几秒钟,整个太阳核心的核聚变戛然而止,内心扛不住了,迅速压缩,外围形成了又一次核聚变,这一次的聚变是灾难性的,释放的能量瞬间可以达到太阳前99亿年释放能量的总和,外围物质根本扛不住啊,只能够爆炸。爆炸的冲击波将内核进一步压缩,形成更为致密的物质,原子核之间不是北京到通州的距离,而是摩肩接踵,密度极大。爆炸的冲击波贯穿整个太阳,短时间内,合成了包括:铜、金、银、镭、铀这样的重金属。向宇宙空间发散。我们佩戴的金戒指,就是上一代恒星在这几秒内产生的。


太阳内核残余质量不算大,也就勉强形成白矮星,幽灵般在宇宙空间游荡,有些恒星内核大得多,就会形成更为致密的中子星,直径大概只有20km,当然,有小妖,就会有魔王,有的恒星内核超过太阳内核的20倍以上,中子星物质也扛不住了,直接无限制压缩下去,形成黑洞,开始疯狂吞噬能够够得到的一切物质,包括光线……


至此,太阳完成了蜕变,恒星的璀璨一生结束。


诸葛村姑


哈哈哈哈哈哈哈哈哈,我又开始无奈的笑了,笑的是那么的悲伤。我就纳闷了,怎么会有那么多的体育老师教物理,真物理老师哪去了?

首先,太阳的中心压力很低,理论上最中心的质点压力是零,温度也不高,根本不可能发生什么核聚变,有个论文甚至宣称太阳的中心只有四千度(怀疑少印了一个k),里面是液体的等离子。

很多人可能不理解,压力不是越往中心就越高吗?其实这是一个误解。

如果我们距离太阳足够远,比如在海王星上看太阳,太阳就是一个点,为了计算的方便,就会用太阳的中心作为质心计算引力;如果你到了太阳的表面,事情就不那么简单了,因为大量的物质并不在太阳的中心,你的旁边的前后左右都有,这个时候的引力就是一个矢量值,不仅仅有来自太阳中心的引力,也有来自旁边的引力,左边的引力会和右面的引力抵消;如果进入太阳内部,还会有上面的物质产生的引力,这个引力会和下面物质产生的引力抵消,换句话说,越深入到内部,抵消的就越厉害,引力就越小,如果到了质心,各个方向物质相等,其引力也互相抵消为零,这个质心可以理解为太阳的中心。

在压力(引力)小于一定值后,就不会有核聚变产生,换句话说,太阳的核聚变只产生在太阳的次表面,那里温度最高,压力最大。

明白这个道理,就明白了为什么太阳会燃烧好多年,因为它是一层一层的燃烧,在燃烧这一层的时候,还有很多物质没有参与。


观上灵云


换一个角度看,太阳是永恒不灭的。光以光速的速度运动,人都感觉不到它的撞击力,所以说光的质量很小。因为光的质量很小,太阳每年向外辐射损失的质量可能相当于一块小石头。但太阳每年吸取的东西挺多的,比如陨石,或慧星残片。获取的质量远大于损失的质量。所以说太阳是永恒不灭的!


朱国清496


太阳内部温度1500万度,压力是多少?物质不会是固态?至少是超级密度状态,也许比已知微观夸克还小的表述,但有一点它很稳定,只有到达1万度左右才发生核爆……


画皮梦


太阳是更高能量级转变,支撑这转变的力,是空间的塌缩,空间坍塌不是瞬间完成,要与处在坍塌的空间中的物质相对,最后形成黑洞,所以,你看到太阳燃烧的过程就是空间与物质相互对质的过程,所以其时间与能量都是宇宙级的。


济宁小苗


燃烧,这个词就说明你不懂燃烧属于化学,而太阳是核物理中的——聚变。当然聚变只在中心发生。为什么持续怎么长时间那就是恒星是巨大的,但太阳又是恒星里中等身材的,恒星越大寿命越短


nt01


即使太阳上的氢全部燃烧完毕,也还会有其它热核反应继续发生,因此太阳还是可以继续发射出它那巨大的光和热来!


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