@ 2018.05.07 , 20:00

太阳为何还未燃尽

作者:Emma Sarappo

太阳为何还未燃尽
Credit: HW

我们的太阳在银河系里也就算是一般水平,不是最亮的,也不是最大的,而且也才只有45亿岁而已。它之所以独一无二是因为它的光和热是维持我们这些生命的源泉。我们幸运就幸运在太阳在我们出现之前还未燃烧殆尽。但是太阳为什么能燃烧那么久呢?又为什么不能像蜡烛或者篝火一样被吹灭呢?究竟何时太阳才会寿终正寝呢?

在19世纪这还是个蛮难回答的问题, 印第安纳大学天文学教授 Catherine Pilachowski 如是说。在那个年头,人类只能用两种思路解释太阳的能量来源:要么是通过引力收缩产生热量和光线 - 将自身拉向中心并释放能量(就像我们在地球上感受到的热量的形式),因此会随着时间的推移变小 - 或者像火焰一样,是化学反应,就像我们点燃火柴或篝火。既然任何一种方法都可能是太阳的工作方式,当时的科学家们用这两种方法计算出了太阳可能的寿命。但哪一种都不符合我们已知的的太阳系的寿命——45亿年。如果太阳是在缩减或者燃烧,那早在我们出生之前太阳就已经把燃料耗尽了。显然,这里另有原因。

几十年后爱因斯坦提出了著名的方程 E = mc^2,认为一切有质量的物质必定含有相应的能量,1920年英国天文学家提出太阳就是在把自身质量转化为能量。不同的是,太阳并不是像烧木头或者煤那样的反应,而更像是个巨型核电站。

太阳包含大量的氢原子。氢原子包含一个带正电的质子和一个环绕其周的带负电的电子。当一个氢原子遇到另一个氢原子时,它们的外层电子彼此磁性排斥,保证了各自的质子不会相撞。而太阳核心温度太高而且压力太高,导致氢原子里的电子脱离了原子核的束缚,这样里面的原子核,也就是质子得以相互碰撞,这个过程也就是核聚变了。

就像在核反应堆里一样,原子每时每刻都在相互碰撞融合。一般氢原子核会聚变生成氦原子核。在这个过程中,一小部分的质量“消失”了;但并不是真的消失了,而是转化为了相应的能量,因此太阳每秒会辐射出 3.9x10^26 瓦的能量。(这能量过于巨大,地球上没有能类比的例子。这个数字大概可以像这样描述:这个瓦特数量远远超过了整个世界将使用的所有电力,以目前的速率来看,够用几十万世纪。)

热核聚变的效率是太阳长时间保持辐射热量的主要原因 - 将1千克氢转化为氦所释放的能量与燃烧20000吨煤炭的能量相同。 由于太阳太大又相对年轻,科学家估计它只使用了大约一半的能源来生产氢。

最终太阳会耗尽内核里全部的氢并转化为氦,然后太阳就会死亡。但也不用太担心,那大概要到50亿年以后了。

本文译自 popsci,由译者 HW 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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