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为什么太阳也会死亡?太阳死后谁来接班?

太阳是一颗黄矮星,这种恒星的寿命大概就100亿年左右,这估计大家都知道了,但它为什么会死,又是怎么死的,太阳死后还有人来接班吗?

太阳是一颗黄矮星,这种恒星的寿命大概就100亿年左右,这估计大家都知道了,但它为什么会死,又是怎么死的,太阳死后还有人来接班吗?

太阳为什么会死?

要了解太阳为什么会死,可能要先了解下它是怎么来的!大概在200多年前的时候,法国天体物理学家和德国哲学家康德都分别提出了星云说,现在称之为“康德-拉普拉斯星云说",两位大佬不约而同的认为太阳系是一团星云通过万有引力收缩而成的。首先形成的是太阳,然后其它星云物质形成了行星。

太阳的形成

这个理论尽管还非常初级,但不得不说这两位大神的猜测是正确的,现代天文理论认为太阳诞生于上一代超新星爆发后形成的星云,在某次扰动形成的不稳定中开始了坍缩,在形成的吸积盘中心形成了太阳,为什么超新星爆发后的星云物质堆积就能形成太阳?

能超新星爆发的恒星有大量的氢元素没有消耗掉

中心物质形成的天体足够大时能留住气体元素

留住的气体超过木星质量的13倍时候将形成褐矮星(燃烧氢同位素氘)

超过80个木星质量时能形成能烧氢元素的红矮星。

太阳质量的大小和开始坍缩区域的星云质量是有关的,没有形成双星是我们的幸运,没有形成三星是我们的造化(开始坍缩的区域可能会分裂形成多个坍缩区域,从而形成双星或者多星)

太阳是怎么发光的?

我们现在都知道是氢元素核聚变产生的能量发光发热的,早先科学家有猜测太阳可能是引力坍缩能发光的,也有猜测是小行星撞击而发光,更扯的有太阳是烧煤的。

最早提出恒星靠谱能量来源的是英国科学家爱丁顿,他在1920年提出了恒星从氢元素的聚变中获得能量,1928年乔治·伽莫夫推导出了伽莫夫因子,使得太阳的核合成理论得以继续(因为早期科学家计算太阳的温度并不足以引发核聚变,所以大家都看着一颗发光的太阳发呆),伽莫夫给出两颗原子核在足够近时强作用力可以克服库仑障壁的量子力学公式。所以太阳发光名正言顺了。

质子反应链

1939年时汉斯贝特推导出了完整的质子反应链过程,并且指出太阳还有部分能量来自碳氮氧循环,到此太阳的发光原理已经搞定了!

碳氮氧循环

太阳能发光多久?

刚刚我们说了伽莫夫的原子核强作用力克服库仑障壁的量子力学公式,这就是著名的隧穿效应,这个取决于概率,大约十亿次碰撞才有这样一次机会,不过好在太阳内部这种次数几近天文数字,所以仍然发生了,不过这个比例比较低,所以速度比较慢。

量子隧穿效应

因为太阳发光最初的氢元素中的同位素氕氕反应成氘才可以和氕结合成氦三,大量释放出能量,所以这个氕氕的反应很慢,导致了后面的反应也很慢,相当于制造燃料的速度被限制了,所以太阳发光时间很久,但再久也有个时间,所以太阳最终也会耗尽自己的燃料后死亡。

但太阳并不能彻底耗尽自己的燃料!

太阳是怎么死的?

太阳就是一个等离子球体,所以很多朋友都认为太阳上到处都在核聚变,其实这是一个错误认识,太阳真正发生核聚变的地方在1/4半径处,整个区域只有太阳整个体积的1/64都不到,正因为如此,各种恒星就开始粉墨登场了!

红矮星质量不太够,所以内核到外壳形成了一个对流层

黄矮星和更大质量的恒星,因为质量高,压力大,所以在内核和外部对流层之间有一个辐射层

各种质量的恒星内部结构图

恒星的这种特殊结构决定了恒星的寿命跟恒星的质量是成反比的,我们来简单说说原因,上文中的红矮星结构图看不清,下面再单独来张红矮星的结构:

红矮星结构图

内核从氕聚变到氘,再从氘聚变成氦,这是所有恒星都会经历的事情,但太阳和红矮星都不能烧氦,所以太阳这些氦就会在内核堆起来,但红矮星不会不会堆积,因为会随着对流将整颗恒星的氢元素都交换到内核彻底燃烧,由于红矮星的燃料氕氕结合成氘更慢,而且能彻底利用整颗恒星的氢元素,所以红矮星的寿命高到发指,可能会高达数千亿到上万亿年!

太阳的死法

因为太阳的氦元素堆积在内核,尽管太阳现在不能烧氦元素,但并不表示太阳以后不能烧氦元素,所以这个过程会在未来发生,下面简单了解下太阳的死法

太阳会逐渐耗尽内核的氢,内核逐渐被氦元素堆积,所以能量产生会降低,这会导致辐射压也同步降低,外壳物质的超高压会压缩内核,同时太阳的辐射层的氢元素也会进入内核区域,这会有两个结果:

内核受到更高的压力,温度会持续增加;

辐射层的氢元素会进入更高温的内核区域,燃烧会加快;

前者持续增加的压力和温度,会太阳下一步的发作:氦闪做好了准备,后者更高温会导致太阳内核区域输出的能量大幅增加,更高的辐射压会导致外壳膨胀,太阳的红巨星就是怎样来的。第一次氦闪大约会发生在太阳离开主序星带大约12亿年发生,因为持续在核心累积的氦元素以及压力和温度,满足了氦元素点燃的条件,因为高压太阳的内核已经形成了简并态的氦核,无法调节核聚变反应带来的热压力,所以会导致失控的核反应,大约在几分钟之内太阳的内核氦元素就燃烧成为碳。

《流浪地球》就是因为太阳氦闪而逃离太阳系,太阳的氦闪确实会破坏宜居行星的环境,因为氦闪输出能量极大,而且非常短暂,相当于一次迷你超新星爆发,尽管炸不散太阳,但太阳的高能物质会在黄道面附近向周围扩散,就像是一次超超超超级的太阳活动,地球就完蛋了。

太阳的死亡

在第一次氦闪后,内核会重新坍缩,积蓄氦元素,然后在剧烈燃烧,其能量将比主序星阶段高成百上千倍,在超高的辐射压下,太阳直径也会越来越大,最终膨胀成一颗红巨星,它的直径最大能达到大约地球轨道附近,此时核心对于外壳的的引力越来越薄弱,而内核产生的高辐射压也将推离这些物质,最终内核氢元素耗尽后,外壳将渐渐扩散成行星状星云。

猫眼星云

而内核则早已在于引力的对抗中处于了简并力对抗引力的状态,简并力并不是一种力,而是量子力学中的费米子不能处于同一种状态的斥力,白矮星这种状态是两者处在了平衡状态,而中子星就是引力战胜了电子简并力,和中子简并力平衡,黑洞则是引力战胜了一切!

费米子不相容

这个时间大约会发生在50亿年后,未来太阳就是一颗白矮星,所以整个太阳系的未来一片黯淡,好在是这个时间足够久。

太阳有后吗?

太阳诞生的是行星状星云,这个质量已经难以形成一颗恒星了,所以到太阳就结束了,不过木星倒是有点可能在行星状星云扩散期间吞噬大量的星云气体,假如它能再增加12个自身的质量,那么它将满足最小的心愿:一颗褐矮星!假如它能积攒到80个自身的质量,那么它将诞生为太阳系里第二个太阳,这种可能性很低,但木星如果错过这个机会就再也没有下一个店了。

木星和太阳的比例

当然各位不必担心,如果没有意外的话,地球生命在红巨星初级阶段就会烧成灰了,氦闪将会再扫荡一次,等红巨星阶段来临之时,地球又将被烧烤一次,所以完全不必担心没有烤透,在太阳系里,地球没有未来,但宇宙并没有限制人类必须呆在太阳系!

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