太陽是一顆已經燃燒了50億年的黃矮星,它確實還能繼續發光發熱50億年,而且它在未來也確實會越熱,根據太陽模型的預測,大約在十億年后太陽輻射就會增加10%,估計到那時極度溫室效應確實已經讓地球生命和這個宇宙拜拜了!
早期科學家搞不清楚太陽為什么會發光,提出的發光理論也五花八門,最有去的肯定要數是燒煤的了,有點科學思維的是小行星撞擊和引力坍縮勢能,但很明顯也是錯的!
隨著在微觀特別是原子領域的發現,1920年愛丁頓提出太陽可能從輕核聚變的過程中獲得能量,剛好伽莫夫則在十年后完成了質子在突破庫倫障壁的量子力學公式,完成了最關鍵的一步,而美國人漢斯貝特則解決了恒星的質子鏈反應和碳氮氧循環產生能量的完整過程。
太陽發光的問題解決了,它從氫原子核聚變中產生的質量虧損中獲得巨大的能量,在質子鏈反應過程中,從氫到氦,大約會有0.77%的質量損失,似乎不多?太陽內核每秒都有650億噸的氫元素發生聚變,產生超過400萬噸的質量虧損,每秒釋放出超過10^26J的能量,這個數字可怕嗎?這就是恒星級能量的釋放規模,相當于每秒發生4.12億顆沙皇炸彈爆炸!
首先我們得來了解下太陽為什么能燒那么久,前文說了伽莫夫搞定了質子在突破庫倫障壁的量子力學公式,這是因為科學家們遇到障礙了,他們發現按太陽的質量和引力坍縮產生的溫度,不足以讓質子(氫原子核)核聚變,這下尷尬了,太陽好好的在發光,而科學卻算出來太陽應該沒法發光!
伽莫夫解決了這個問題,質子在太陽內核就有十億分之一的概率穿透融合在一起,從而讓氫同位素氕變成氘,此后質子反應鏈就會順暢很多,所以太陽的壽命就取決于氘的生產速度,太陽的內核溫度大約1380萬K,這個溫度下這種慢慢生產燃料的方式能夠保證太陽燃燒100億年!
太陽的結構會讓它的燃燒逐漸劇烈
恒星有幾種典型的結構,紅矮星是全對流型結構,即整顆恒星的元素都會在對流作用下參與燃燒,中心燃燒后的“廢物”氦不會堆積,整個過程中燃燒速度都差不多,最后會逐漸耗盡燃料而熄滅,但因燃燒慢,燃料利用徹底,紅矮星的壽命長到令人發指,高達數千億到上萬億年!
而太陽在內核外有一個輻射層,再到外部才是對流層,這種恒星有一個問題,除了內核外,其他區域的氫元素無法對流到中心燃燒,中心氫元素燃燒后的渣渣也只能一直堆積在內核,這就引發了如下故事!
內核的氦元素堆積,會引發兩個問題,第一個是在引力坍縮下會導致逐漸坍縮(暫時氦元素不會燃燒,沒有輻射壓支持會略微坍縮),第二個則是引力坍縮能會讓核心的溫度持續升高!
此時坍縮后留下的空間會有殼層氫元素填充,也就是輻射層的氫進入到內核部位燃燒,因為溫度增加,所以此時氘燃料生產速度增加,核心聚變速度增加,最終的表現就是太陽光輻射略微有些增加,在主序星前階段這個作用并不明顯,但在后半程,這個增加速度會逐漸加快,直接表現就是十億年后太陽輻射將增加10%!它會導致太陽內核輻射壓增加,太陽直徑略微有些膨脹,但初期并不太明顯。
10%看上去并不多,但足以讓地球的溫室效應進入不可逆的惡性循環,未來金星化將成為一個趨勢,同時伴隨輻射能增加的還有太陽風,這個對大氣的剝離作用也會相應增強,盡管可能還不會造成嚴重后果,但這些作用將會使地球環境惡化,未來岌岌可危!但太陽不會這樣溫柔的增加輻射,它還有后招!
氦閃
內核堆積的氦元素會在某個時間達到聚變條件,在極短的時間里,這些氦就燒完了,它釋放的能量極大,但還不足以炸散太陽,因此表現的方式會以劇烈的太陽活動向宇宙空間釋放能量,除了突然增強的光度以外,還有大量太陽高能物質被拋向宇宙空間,而因太陽的自轉則會讓這些物質向黃道面方向釋放的比例會比較高!
一次超強耀斑就能摧毀地球所有衛星和地面通訊設施以及電網(光通訊不受影響),而氦閃比超強耀斑強億萬倍,連地球大氣層都可能被摧毀,所以《流浪地球》中因為氦閃而逃離太陽系是可以理解的!
氦閃后中心氦元素累積會進入一個新的循環,而更高的溫度更劇烈的燃燒產生的輻射壓,會讓太陽極度膨脹,這就是太陽紅巨星的產生原因,第一次氦閃后,未來氦閃會頻繁發生,太陽也會越來越大,慢慢將吞噬水星,金星可能也難幸免,不過地球可能會逃脫被吞噬,但高溫會將地球烤化!
太陽這種自殺性結構是黃矮星的通病,紅矮星不存在氦閃,天狼星這樣的藍矮星也不會!不過第一次氦閃不會那么快發生,大約會在太陽脫離主序星階段12.5億年發生,現在還早,至少還有數十億年!