當氫彈引爆后,會瞬間釋放出巨大能量,這導致核彈在引爆后瞬間就炸沒了。同樣是依賴核聚變反應釋放巨大能量,太陽卻不會像氫彈那樣發生爆炸,瞬間炸完,而是已經持續發光發熱了46億年之久。
在這46億年的歷史里,太陽核心區域中的氫原子核不斷聚變為氦原子核,從而釋放出巨大的能量。早在上個世紀,科學家就知道聚變過程會發生質量虧損,而這部分減少的質量轉變成了能量。
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太陽核心區域的核聚變,每秒鐘會將多少物質轉化成能量,這一數據可通過能量反推計算得出。
衛星觀測顯示,在地球軌道處的太陽輻射強度約每平方米1361瓦。結合日地平均距離計算,可知太陽向外輻射的總功率約3.828×102?瓦,即太陽每秒大約會向太空輻射3.828×102?焦耳能量。再結合愛因斯坦的質能方程,可知太陽每秒虧損質量約420萬噸,即太陽每秒鐘會消耗420萬噸的物質,這部分物質轉變成了能量,所產生的能量相當于100萬億顆沙皇氫彈爆炸。
由于核聚變過程的質能轉化率并不是100%,僅約0.7%。那也就是說,太陽聚變過程每秒鐘實際消耗的氫會遠超420萬噸。計算可知,太陽內部每秒參與核聚變反應的氫大約有6×1011千克。
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太陽核燃料消耗巨大,那為什么核聚變之火卻能燃燒46億年之久?
這首先是因為這點消耗相較于太陽那龐大的質量而言,不過九牛一毛,這些物質僅占其總質量的極小部分!
太陽的總質量高達2×102?噸,相當于33萬個地球,其中73%是氫,25%是氦,其余2%是重元素。但并非所有氫都能參與聚變,只有約占太陽半徑1/4的核心區域的氫,才有幾率發生聚變,而這部分可用氫約占太陽總質量的10%,即2×102?千克。
可即便如此,按照當前的速率,太陽核心的氫燃料也足夠支撐約100億年的穩定燃燒。目前它僅燃燒了46億年,尚處中年,未來預計還將相對穩定地燃燒約50億年。在這46億年的歷史中,太陽實際上僅損失了100多個地球質量的物質,這僅占太陽總質量的0.03%左右。
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另外,太陽內部的核聚變反應速率非常緩慢,這是太陽能夠持續燃燒100億年的另一個重要原因。
其能在一秒鐘內釋放出如此巨大的能量,主要是因為體量龐大,并不是因為核反應非常劇烈。在太陽核心區域,那里的溫度高達1500萬攝氏度,壓力是地球大氣壓的2000多億倍。這種高溫高壓環境雖然已經非常極端,但僅能讓氫原子核有一定幾率克服庫侖斥力聚變為氦原子核,這使得其聚變反應速率非常緩慢。而在地球上,可控氫核聚變需要上億度的高溫才能進行。
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任何能量的持續穩定釋放,都需要約束機制。太陽緩慢的核聚變能始終維持穩定速率,是因為它的反應被自身巨大質量產生的引力牢牢約束,引力帶來的向內收縮壓力,維系著聚變所需的溫度和壓力,同時核聚變產生的向外輻射壓力又使內核不會過度收縮,這兩個力形成了動態平衡。總之,太陽實際上就是一個天然的、自我穩定的核聚變反應堆。
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而氫彈等核彈的核反應過程是一次性的、失控的,且參與反應的核燃料數量極其有限,因此一旦反應開始,就算聚變效率不高,瞬間釋放出的巨大能量也會導致猛烈爆炸,最終氫彈一瞬間就炸完了。
理解了太陽的運行機制,我們也就能預判它的未來。當太陽核心的氫燃料在50億年后耗盡,引力與聚變的平衡便會被打破,太陽將進入紅巨星階段。屆時核心收縮升溫,將引發氦聚變,這種比氫聚變更為劇烈的反應將導致外層物質不斷膨脹。且這個過程伴隨著數次短暫且劇烈的“氦閃”,還會加劇膨脹。
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可即便如此,太陽也不會爆炸。太陽在紅巨星階段會持續約10億年,半徑最終可能會擴大到現在的200多倍,吞噬水星、金星,甚至地球。最后,太陽外層物質會以行星狀星云的形式擴散到宇宙中,核心則會坍縮成一顆白矮星,在數萬億年內緩慢冷卻。
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