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科学家给出一份太阳生命周期时间表:遥望太阳 珍爱地球

时间:2019-12-09 11:34:37  来源:经济日报

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图① 太空中美丽的猎户座星云,正在通过聚集物质的方式孕育新的恒星。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

图② 托卡马克又被称为“人造太阳”,图为中科院部署在合肥的先进实验超导托卡马克。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

图③ 国际空间站上看到的太阳照耀下的地球。 (资料图片)DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

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经历了漫长时光后,太阳逐渐接近生命的尽头。它的光芒开始增强,体积开始膨胀,表面逐渐接近原本距离太阳表面1.5亿公里的地球轨道,并将它吞没。这一幕并非杞人忧天,而是根据我们已知物理规律所得到的严谨科学结论——在未来某天,太阳会走到生命的尽头。届时,人类是不是该跑路,准备“流浪地球”了?不,现在就流浪,未免有点早。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

太阳作为太阳系的中心天体,采用核聚变的方式向太空释放光和热。在此过程中,太阳将分子量为1的氢原子核,经过3步中间过程,聚变成分子量为4的氦原子核,其中损失的质量转化成了太阳发光发热的能量。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

通过与太阳相同的核聚变原理,人类研发出氢弹,能够产生巨大爆炸威力,是一种不可控的核聚变装置。为了利用这种效率极高、清洁无污染的能量产生方式服务我们的生产生活,科学家们一直致力于可控核聚变装置的研究。遗憾的是,虽然各国投入大量资源开展研发,目前距离可控核聚变装置实用化,尚有很长一段距离。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

而太阳已经稳定进行了约46亿年的可控核反应,持续不断地用光和热哺育整个太阳系。那么,控制太阳不变成一颗氢弹的力量来自哪里呢?DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

平衡使太阳没有成为氢弹DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

其实,控制太阳不变成一颗氢弹的力量,就是我们熟悉的重力。从感觉上,司空见惯的重力似乎很难与毁天灭地的核反应相匹敌。但量变会引起质变,聚合成质量相当于33万个地球的太阳组成物质,其所产生的重力,足以控制住核反应。可以说,重力与核反应之间的相互作用,主宰了太阳的生命印记。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

太阳这样的恒星形成于原始星云,在自身重力作用下,组成原始星云的物质会不断聚集收缩,密度和压强不断增大。而在人类制造的核聚变装置中,要想像启动汽车发动机一样使核聚变开始,相当困难。因为在核聚变中,带正电荷的原子核间存在静电斥力,如同一座大山横亘在核聚变发生的道路上,必须先有足够的能量克服静电斥力,才能让发生聚变的原子核足够接近。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

而太阳形成时,仅仅依靠重力的挤压就点燃了核聚变。由于物质本身压强产生的向外膨胀力,不足以抵御驱动物质向内收缩的重力,因而,星云中物质一边聚集一边向内收缩的过程可以不断持续下去;其中心的密度和压强持续增高,迫使氢原子核相互接近,进而触发了核聚变反应开始。同时,恒星中聚集的质量又决定了核反应的速率——恒星质量越大,中心会受到更大重力压迫,产生更高压强,使更多氢原子核相互接近,核反应速率也就更高。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

当太阳逐步成为一颗成熟的恒星后,其核反应速率与恒星物质的重力达到了一种简洁又精巧的平衡。如果太阳从平衡态向外膨胀,中心受到的挤压减小,核反应速率会降低,产生的能量会减少,恒星中心的温度会降低。由此,恒星中心向外膨胀的力无法支撑恒星向中心收缩的重力,膨胀过程将无法持续。反过来说,如果太阳向中间收缩,将会使核反应加速,产生更大向外膨胀的力,收缩过程同样无法持续。总之,一旦步入壮年,太阳只能稳定在一个相对固定的个头上。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

这种精巧的平衡并非太阳的专利,而是放之宇宙而皆准的基本原理。科学家们通过长期观测积累后发现,处于壮年的恒星几乎都处在这样一种稳定的状态中,被称之为“主序恒星”。对它们来说,质量较大的、平衡状态下的核反应速率要更高。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

太阳的终结与地球的流浪DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

如同人有生老病死,上文所说的这种平衡也不能天长地久——太阳会在经历一系列膨胀、爆炸与脉动后,最终归于沉寂。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

而在这一切开始之前,人类得想办法“跑路”,准备“流浪地球”了。由于太阳这个“大炉子”会随着时间增长越烧越旺,当炉中燃料燃尽时,应该将灰烬请出,再加入新燃料继续燃烧。然而,对太阳这样的恒星,没有外部的力量为它完成这个过程。核反应消耗氢,产生氦,都堆积在恒星内部。氦的分子数大于氢,因此恒星内部密度会随着恒星年龄的增加而增大,内部核反应速率也会逐渐增加。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

研究计算表明,目前,太阳的核反应速率大概比太阳刚成为主序恒星时大30%,几十亿年后,不断加快的太阳核反应速率会使太阳辐射出的能量约为目前2倍。在如此剧烈的辐射照耀下,地球表面温度将达到上百摄氏度,海洋和湖泊中的液态水会被汽化。以我们目前的认知,包括人类在内的生物体是无法在这种环境下生存的——除非人们研发出了能够遮挡太阳剧烈辐射的装置。届时,太阳仍处于主序恒星状态。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

而再往后,太阳中心区的氢燃烧殆尽,停止了氢聚变成氦的热核反应,变成了一个氦核。由于没有了核反应对抗重力,恒星中心附近的物质开始向核心挤压,不断增高核心温度;距离核心较远的一些残存氢在高温作用下被点燃,驱动太阳外层不断向外膨胀,相继吞并水星与金星的轨道,并有可能吞没地球的轨道。届时,太阳已经退出了主序恒星行列,变成一颗红巨星,这是恒星燃烧到后期所经历的一个不稳定阶段。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

接着,太阳进入了“内外两开花”的状态。除了外部的氢壳继续发生核聚变反应外,内核残存的氦在不断增大的温度作用下被“点燃”,发生了由氦聚变成碳的核反应,而这一时间短的让人惊叹——在数分钟内,相当于太阳质量40%的氦被剧烈“燃烧”成碳,释放出大致相当于太阳在当前状态下持续数百万年所释放的能量。这种现象被科学家们称之为“氦闪”。之后,太阳在继续燃烧氦的同时,自身已无法回到平衡状态,只能不断交替膨胀与收缩,成为一颗脉动变星,即由脉动引起亮度变化的恒星。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

当氦再次燃尽时,太阳的生命也就走到了尽头——太阳核心的物质将塌缩成一颗密度极高的白矮星,而外层物质则会向外扩张,形成行星状星云。白矮星的密度极高,1立方厘米白矮星的质量就足有1吨。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

那么,届时地球的命运会怎么样呢?在红巨星的演化过程中,吞并地球的轨道是大概率事件。之前有学者认为,由于太阳释放的能量都是质量转化来的,太阳总质量会随着核反应进行而减少,地球受到的引力也会相应减小,会自发向远离太阳的方向运动。然而,2008年发表在《皇家天文学会月刊》的一项研究发现,潮汐力会迟滞地球远离太阳的脚步,否定了地球这样逃出升天的可能。不过,在太阳变成红巨星前,地球就已经被烤成一片不毛之地。如果坐等大自然的力量拯救我们,恐怕已经来不及了。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

被眷顾的星球DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

要预知几十亿年后发生在太阳身上的事情,天文学家除了可以依靠理论计算和计算机模拟外,还能通过遥看处于不同“年龄”的漫天恒星来勾勒出恒星演化过程的全貌。牛顿、爱因斯坦以及一众天文学家联手保证,我们的太阳应该会按照前文描述过程走完一生。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

因此,大家无需担心太阳会提前衰老并吞并地球。同时,这也许能让我们再次发现家园——地球的可贵。这是一颗受到上天太多眷顾的星球,它处在太阳周围的宜居带里,可以允许液态水稳定存在孕育生命;较强的地磁场屏蔽了太阳高能粒子的侵袭,保护了大气层不被太阳风吹走;太阳不会爆发过于强大的耀斑,否则地球将持续处于强X射线和伽马射线的轰击之中;大气层的密度和成分能够有效的调节温度,让我们处于既不冷又不热的环境中;适度倾斜的地轴使大部分地区有了四季变化;地球轨道之外的太阳系其他大行星又吸引了不少可能撞击地球的小天体。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

当这些有利因素集中到一起时,才让这个星球上有了多姿多彩的生灵,孕育出人类生命。当我们将望远镜指向浩瀚的宇宙之中,试图从繁星间找到一颗与我们同样幸运的行星时,却始终没有一个确定性的发现。如果现在我们就踏上流浪之路,其实并不知道哪里才是安身之地。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

好在太阳生命的终结发生在几十亿年之后,现在的我们可以好好珍惜家园,不让战争、污染、气候变化、能源消耗将其破坏,将一个美丽多彩的地球一代一代传下去。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

作者单位:哈尔滨工业大学(深圳)DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

本文授权转自中国科普博览,公众号:kepubolan,有删改。DDf上海资讯网——上海资讯类门户网站官网


[正文结束]
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