氦閃:太陽已經輻射出去的能量多,還是鎖在太陽內部的能量多?

太陽是一顆普通的恒星氦閃,目前正處于主序星演化階段,太陽的主序星階段大約100億年,通過計算機對恒星演化及宇宙年代學模型的仿真估算,太陽目前已經經過了47億年,可以說是正當壯年 。

氦閃:太陽已經輻射出去的能量多,還是鎖在太陽內部的能量多?

文章插圖
太陽內部的聚變能量來自太陽的哪個區域?在主序星階段太陽內部的氫通過核聚變反應生成氦,總反應式為:4p=He4+2(e+)+2v+24.7MeV,由于原子核帶有正電,想要兩個帶有正電的原子核靠近后發生聚變反應是非常困難的,所以核聚變反應需要一個高溫高壓的環境,將原子核緊密的“擠到”一起,在靠近太陽球心的1/4區域才能滿足這個高溫高壓的條件 。
氦閃:太陽已經輻射出去的能量多,還是鎖在太陽內部的能量多?

文章插圖
太陽聚變產生的能量去哪了在這一僅占太陽體積1/64的區域內就是太陽的熱源,也是太陽系的主要熱源 。通過聚變產生的這些能量幾乎全部被輻射出去了,并不會鎖在太陽內部,源源不斷的產生,源源不斷向外輻射能量,這樣才能達到平衡,維持自身結構 。如果聚變反應產生的能量絕大部分集聚在太陽內部,集聚到一定程度必然會發生爆炸 。
氦閃:太陽已經輻射出去的能量多,還是鎖在太陽內部的能量多?

文章插圖
太陽通過什么方式傳熱學過熱力學物理的讀者知道,熱傳遞主要有三種方式即熱傳導、熱輻射和對流換熱 。
太陽中心一直到0.86半徑處,太陽內部物質足夠緊密,主要依靠熱傳導和熱輻射傳遞能量,在0.86半徑一直到表面,太陽的機構不夠那么稠密了,具有一定的流動性,主要依靠對流換熱的方式來向外傳遞熱量 。
值得注意的是我們通常所說的太陽壽命的終結就是指主序星階段結束,不過太陽這時并不會解體或者消失,而是會進入下一個階段——紅巨星階段,在進入紅巨星階段前還會掙扎一下,即超新星爆發,這實際就是恒星在演化接近末期時的一種劇烈爆炸,放出的能量極大,和前100億年緩慢放出的能量差不多,所以地球才會跑,寧運去流浪也不能等著被炸滅 。
太陽也是核聚變反應,為什么太陽能夠維持穩定而不發生爆炸?其實太陽自身擁有一項人類夢寐以求的技術:可控核聚變反應 。
氦閃:太陽已經輻射出去的能量多,還是鎖在太陽內部的能量多?

文章插圖
那具體咋回事呢?
氦閃:太陽已經輻射出去的能量多,還是鎖在太陽內部的能量多?

文章插圖
我們需要先來了解一下太陽形成 。話說宇宙大爆炸之后,經歷了兩代恒星 。在目前太陽系附近位置,第二代恒星發生了超新星爆炸,把物質拋到了太空當中 。
氦閃:太陽已經輻射出去的能量多,還是鎖在太陽內部的能量多?

文章插圖

氦閃:太陽已經輻射出去的能量多,還是鎖在太陽內部的能量多?

文章插圖
后來,在現在太陽系附近的位置,星云物質開始在引力的作用下形成了太陽以及太陽系早期的其他天體 。而太陽和其他行星最大的區別在于,太陽占據了太陽系99.86%以上的質量,99%以上是氫元素和氦元素組成 。在這個尺度下,太陽的物質在引力作用下都在向中心壓縮,當中太陽核心的位置溫度變得特別特別高,其實本來是達不到足以引發氫的核聚變反應的溫度 。但由于量子隧穿效應的存在,所以可以發生了核聚變反應 。
氦閃:太陽已經輻射出去的能量多,還是鎖在太陽內部的能量多?

文章插圖
這里,我們要注意了,這種反應其實和氫彈的原理是一樣的,但是太陽沒有像氫彈一下子炸掉,
是因為太陽的核心的核聚變反應和溫度是相關的,而溫度高低其實取決于太陽核心受到的壓力作用的大小 。這其中有一對相互博弈的力,一個是太陽自身引力,一個是核聚變向外產生的向外壓力 。
如果太陽自身引力占據上風,而核聚變向外壓力處于下風,那說明太陽核心的受到的壓力是比較大的,溫度就會上升,這時核聚變反應就會更劇烈一些,產生更大的向外壓力,去和引力抗衡 。這時候,中心的受到的壓力就會下降,溫度就會降低 。
如果核聚變向外的壓力處于上風,而太陽引力處于下風,那說明太陽核心受到的壓力是比較小的,溫度就會下降,核反應的程度也就會減弱,這時候向外的壓力就會減弱 。這時候,引力就會慢慢占據上風的位置,讓核反應的程度加強 。
因此,太陽自身引力其實和核聚變向外的壓力使得太陽的核反應處于一種動態平衡的狀態,這才使得太陽不會一下子炸掉 。
不過,太陽的穩定并不是持續不變的,要知道太陽要時時刻刻向外輻射能量,每秒大約有400萬噸的質量轉變為能量,也就是損失掉這么多的質量 。隨著質量的減少,太陽的引力也就會減弱,當減弱到一定程度之后,引力就不足以對抗核聚變產生的向外壓力,太陽就會膨脹得特別大 。太陽的大氣可以差不多擴大到地球軌道附近 。地球甚至有被吞沒的可能性 。
【氦閃:太陽已經輻射出去的能量多,還是鎖在太陽內部的能量多?】這時候的太陽其實變成了一顆紅巨星,而我們現在的太陽其實處于青壯年的狀態,在天文學上也叫做主序星時期 。這個時期大概會持續100億年,現在是已經度過了46億年 。也就是說,再過50多億年后,太陽將會控制不住自己,膨脹開來 。