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太阳究竟使用什么东西当燃料,为什么烧了46亿年还没烧完?
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2023.11.26 上海

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每次抬头看见太阳的时候,大家心里会想些什么呢?

要知道,太阳对维持地球生态系统的平衡,以及地球生物的生存做出了非常重要的贡献。

直到现在,太阳在宇宙中已经“燃烧”46亿年了。

可是让人奇怪的是,太阳到底是怎么燃烧了这么长时间的?到底是什么东西支撑着它呢?

太阳的燃烧机制

太阳看似一颗燃烧着的恒星,但其实它并未在“燃烧”,而是通过缓慢的核聚变反应持续释放能量。

这种反应的本质,是较轻的氢原子核在高温高压下发生结合,转变为更重的氦原子核的物理过程。

可以说,太阳内部依靠的是核聚变反应持续向外释放能量。

要知道,太阳的直径约为109个地球,体积达130万倍,质量达33万倍,而它则是以氢元素为主组成的,约占总质量的73%,仅核心区域的温度就高达1500万摄氏度,压强更是相当于2500亿个大气压。

正是在如此极端的条件下,太阳内部得以发生核聚变。

在太阳核心极高的温度和压力下,氢原子核发生碰撞而聚变成氦原子核,同时释放出大量能量,这个过程被称为“质子-质子链反应”,而它可以分为三个步骤进行。

第一步就是两个氢原子核(即两个质子)结合,其中一个质子发生衰变成中子,与另一个质子形成氘核。

在这之后,氘核与一个质子结合,形成氦-3核,最终两个氦-3核结合,并释放出两个质子,形成稳定的氦-4核。

通过这一系列核聚变反应,太阳将氢转化为氦,并释放出大量能量,这种转化过程非常缓慢,因为两个质子之间存在巨大的斥力。

如果想要突破这层能量势垒的话,那么质子需要获得极高的速度,也就是说,需要极高的温度,尽管太阳核心温度高达1500万摄氏度,但这对实现质子间结合来说仍然不够。

幸运的是,随着太阳的巨大体积,质子数量极其庞大,这使得核聚变反应得以在这种温度下缓慢发生。

事实上,太阳的核聚变反应早在20世纪30年代就被首次提出了。

当时物理学家们根据爱因斯坦的质能方程E=mc^2,认识到如果找到一种方法将较轻的原子核转化为较重的原子核,那么就可以释放出极大的能量,而这也启发了人们对利用核聚变来获取能源的探索。

于是科学家们将目光首先聚焦在氢原子上,因为氢是宇宙中最丰富的元素。

经过长期的研究,他们终于找到了一种可行的核聚变反应路径,那就是“质子-质子链反应”,而这一发现解释了太阳如何通过核聚变反应持续产生能量数十亿年。

太阳核聚变机制看似简单,但其实包含着许多奥秘,比如为何氢核能够突破电荷间的排斥力进行聚变?

而答案就在于太阳内部的极端温度与压强。

正常情况下,同电性的氢核间存在巨大的库伦力排斥,要克服这一势垒,氢核需要获得极快的速度以突破电荷屏障。

而高温运动的热能为氢核提供了这一可能性,虽然个体氢核突破势垒的概率非常低,但在数量规模巨大的前提下,仍有足够多的氢核获得足够高速度进行核聚变。

如果没有核聚变机制的话,那么太阳的寿命将会大为缩短,一旦核心的氢燃料耗尽,太阳就会逐渐冷却膨胀,最终成为行星状星云。

要知道,太阳核心每秒产生的能量高达3.8x10^26瓦特,是人类全球能源消耗总和的百万倍,这庞大的能量产生速率完全源自核聚变反应,而反应过程中质量缺失的部分全部转变为能量。

太阳就像一个巨大的自然聚变反应堆,它的聚变反应比人工反应堆更为缓慢温和,却带来了比人类能想象的更持久的能量输出。

那么太阳的未来又是怎样的呢?

太阳的最终结局是什么

宇宙万物皆有生老病死,恒星也不例外,而太阳就是其中普通的一员,它经历主序星、红巨星、行星状星云、白矮星、黑矮星等多个阶段,最终迎来生命的消亡。

太阳是一颗典型的黄矮星,它诞生于约46亿年前,那是一个充满神秘的时代。

在漫长的岁月里,太阳以自己特有的节奏,坚持不懈地运行着,见证了一个个文明的兴衰,无数生命的来去。

对于地球上的我们来说,太阳是家园,是希望,更是生命的源泉。

然而,太阳并非是永恒不灭的。

科学家预测,再过50亿年后,太阳的氢元素将逐渐耗尽,它将步入生命的终末,并经历着一个个阶段的蜕变。

太阳会先成为一颗巨大的红巨星,这时太阳会膨胀到现在直径的100倍之大,表面温度骤降,巨大的辐射和引力会吞噬水星,甚至灼烧地球。

不过地球上的生命无法熬到那时,因为仅1亿年后,持续升高的温度就会摧毁一切生机,除非人类提前离开故土,否则注定难逃一死。

在红巨星阶段结束后,太阳会再度坍缩,最终成为一颗残留着熔岩般表面的白矮星,这颗暗淡的残骸依靠残余热量发出微弱光芒,其物质状态类似于一颗巨大的钻石。

在这之后,所有的能量也会耗尽,太阳可能会成为质量极低的黑矮星,这种完全不发光的天体密度极高,与一般星体不同,它不会发生坍塌成为黑洞。

黑矮星静悄悄地漂浮在宇宙中,在极长的时间尺度内,等待着遥远的未来。

当全部恒星都化为黑矮星,宇宙就会进入黑暗状态,不再有新的生命诞生,也许这就是亿万年后,宇宙寂灭的样子。

那么它会不会经过很久之后,再一次成为照亮人们的太阳呢?

作为给地球带来光明的使者,太阳是怎么形成的呢?

太阳和地球之间有着割舍不断的联系。

对于我们来说,太阳于我们而言就像是个亮丽耀眼的灯泡一样,照亮了整个世界,给予了无尽的希望与活力。

然而细究起来,这个巨大的火球其实是由几种常见的气体元素所组成的。

太阳这颗恒星始于原始宇宙的星云中,它像无数其他恒星一样,诞生于45亿年之前的千变万化里。

在那个年代,整个宇宙中充斥着各种各样的气体分子云,其中75%是氢气,还有25%是氦气以及其他微量气体元素。

在这样庞大的气体海洋里,氢气分子因为引力作用不断地聚拢、收缩,于是形成了一个巨大的气体球,这就是太阳的雏形。

在这45亿年的时间里,太阳内核不断进行着氢核聚变反应,每秒钟都有数百万吨的氢气转变为氦气,释放出极大的能量。

从太阳诞生至今,其已经转化了100多个地球质量的氢气,正是这持续不断的聚变反应,使得太阳能够持续发光发热数十亿年。

聚变反应使它成为一个巨大的长效能量工厂,为围绕其运行的行星带去充沛的光与热。

太阳系诸多行星依靠这永不停歇的能量而存在、运转,地球生命赖以生存的光合作用,全仰仗太阳散播到每一寸土地的光线。

如果没有太阳,地球将无异于漆黑冰冷的死寂星球。

太阳不仅供给着光热,还以强大的引力固定了各行星的运行轨道。

假若太阳的质量发生变化,行星运行轨道将面临混乱,到了那个时候,或许会出现剧烈的行星碰撞,太阳系的构造亦将面目全非。

对于宁静的宇宙来说,这漫长的过程只是一瞬间,但对我们人类而言,太阳就是我们的希望和光明。

太阳永远都在散发着充沛的能量,哪怕一瞬间在宇宙尺度上也绵长如亿万年。

它造就了生命的蓬勃在金星和地球上繁衍生息,并将光耀于难以想象的遥远未来。

从无止境的过去到遥不可及的未来,太阳的光辉从未也绝不会熄灭。

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