为什么恒星会燃烧几十50亿年后木星恒星？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2023-09-04 13:26 标签： 50亿年后木星恒星
　　1月12日，美国航空航天局（NASA）公布了哈勃太空望远镜（Hubble Space
Telescope）详细记录一颗恒星被黑洞吞噬的最后时刻的视频。
　　视频显示，一颗恒星经过位于星系中心的超大质量黑洞附近，其外部气体被被黑洞的引力场所捕获，随后整体被黑洞强烈的潮汐力“撕碎”。最终，恒星残骸被黑洞拉入其形似“甜甜圈”的圆环轨道，释放出大量的光线和高能辐射。　　这被称为“潮汐瓦解事件”（tidal disruption events，简称TDE）。　　上述示意图展示了黑洞吞噬经过其附近的一颗恒星的过程。来源：NASA　　对于任何一个中心有一个静止超大质量黑洞的星系来说，大约每10万年才会发生几次恒星被“撕裂”的情况。　　同样作为恒星，太阳的未来会如何？　　从1.5亿千米远的地方看，太阳似乎是一个强大而稳定的存在。它每天都升起，不间断地向我们释放着赋予生命的能量。
　　但物理学家对太阳的看法截然不同。对物理学家来说，太阳是一颗不断爆炸的核弹，这个动荡的过程释放出大量能量，仅靠太阳引力的力量控制。在这种令人难以置信的现象背后，存在一些结束它的机制。太阳的物理学揭示，它灿烂的日子总有一天会结束。　　这种结束会在短期内发生吗？还是说我们有数十亿年时间来计划？要了解这些，我们必须先回到它“出生”的时候。　　作者
豪尔赫·陈（斯坦福大学机械工程博士）、丹尼尔·怀特森（加州大学尔湾分校教授）　　译者
邓舒夏、尔欣中、苟利军　　编辑
谢芳瞭望智库
　　本文为瞭望智库书摘，摘编自《人类知道的太多了》（未读2022年10月出品），原标题为《太阳什么时候会爆炸？》，原文有删减，不代表瞭望智库观点。　　1　　一颗恒星的诞生　　（50亿年前，太阳的年龄：0岁）
　　太阳并不是在某种剧烈的、戏剧性的事件中诞生的，连一声巨响都没有。相反，这是一个气体和尘埃逐渐积累的过程，大多数气体是原有的普通氢元素。自从宇宙存在以来，氢一直是宇宙中最常见的元素。但也有其他更重的元素：在我们的太阳即将诞生时，附近曾经出现死亡的恒星残留物。
　　这些巨大的旋涡云团被引力慢慢聚集在一起，引力是宇宙中最弱又最持久的力量。不过，这些炽热的旋涡云团中的气体和尘埃粒子移动得太快，无法完全被引力结合在一起，它们也不会形成致密的团块。　　2010年4月22日，美国宇航局就通过SDO捕捉到了一组太阳风暴的画面。
　　科学家们不确定是什么最终触发了太阳的形成：可能是磁场帮助捕获了这些粒子，并将它们紧密地束缚在一起；可能是某些外部事件，比如来自附近超新星的冲击波，使气体粒子被紧紧地推到一起；也可能只是时间——最终气体云冷却，移动变慢的粒子开始掉向中心。
　　不管是什么原因，足够多的东西最终聚集在一起，一个失控过程开始了。气体和尘埃聚集在一个地方，产生更强的引力，吸引更多的气体和尘埃，然后又产生更多引力，以此类推。　　最终，足够的气体和尘埃聚集在一个地方，形成了恒星的开端，此时才是气体真正开始升温的时刻。　　一颗恒星诞生了。　　2　　聚变向外推　　（49亿年前，太阳的年龄：1亿岁）
　　大约十万年后，引力完成了将主要由氢组成的巨大云团聚集在一起的任务。起初，单个分子会反抗，它们不喜欢太近地挤在一起，因为它们质子的正电荷会相互排斥。幸运的是，引力从未放弃。
　　随着时间的推移，累积的巨大质量不断将质子推到一起。如果质子靠得足够近，它们就会克服斥力，开始相互吸引，这是因为另一种力开始发挥作用：强核力。
　　在长距离上，强核力的威力不是很大，但在短距离上，它比使质子分开的电斥力强得多。一旦这种强力将质子聚集在一起，令人难以置信的事情就发生了：核聚变。　　这两个氢原子的原子核贴在一起，再经过几步，最终会形成一种新元素：氦。
　　几个世纪以来，人们一直试图将一种元素转化为另一种元素（通常是铅转化为黄金），但一直失败，因此称为“炼金术”的全部努力都被认为是胡扯。结果证明，在特殊情况下还是有可能的，比如位于太阳的中心——只在质量足够产生压缩质子所需的引力时，这种聚变才会发生。如果只有木星程度的质量，那么只能变成一颗行星。如果木星的质量变成它现在的一百倍，它的核心就会开始聚变，变成一颗红矮星。
　　氢聚变为氦的惊人之处在于，这个过程会释放出大量能量。产生的氦的质量实际比原来氢原子的质量小，所以额外的质量被转化为能量，然后被中微子和光子带走。如果对建立原子键可以释放能量感到困惑，只需想一想相反的情况：打破原子键通常需要吸收能量。
　　这个简单的机制照亮了整个宇宙，因为聚变发生在无数恒星内部，所以我们不必生活在黑暗的虚空中。引力使这一切成为可能，它将不情愿的质子推到一起，直到它们聚变。　　但现在出现了强烈的反弹。
　　聚变反应释放的能量会迅速冲出来，把一切向外推，并阻止引力进一步将质子挤压到一起。突然之间，一场史诗般的拉锯战发生在两种宇宙力量之间：一种是将一切挤压在一起的引力，另一种是聚变释放出的将引力向后推的能量。数十亿年间，这两种力量在太阳这里僵持着。　　3　　漫长而缓慢的燃烧　　（从49亿年前到未来50亿年后，太阳年龄：1亿到100亿岁）　　现在，太阳的处境依旧如此，是两种强大力量——引力和聚　　变的活跃“战区”。
　　当我们抬头仰望（不是直视）太阳时，看到的是一个同时爆炸和坍塌的巨型球体。实际上，我们很难准确了解太阳内部正在发生事情的规模。在聚变的核心之外，有一个厚度达到56万千米的炽热且在翻腾的等离子体层，核心产生的光子在这些层中不断反弹，直到大约5万年后，核心产生的能量终于自由地迸发到太空中，再过大约8分钟，它们中的一些抵达地球，给我们带来阳光。
　　在过去的49亿年里，太阳一直以这种方式燃烧；在未来的50亿年里，它还将继续这样做。不过，引力和核聚变之间的平衡不会永远持续下去。悄悄地，恒星内部的时钟已经开始倒计时了。
　　尽管引力很弱，但它很无情，它会永远持续地吸引恒星内部的所有物质。而聚变需要燃料（氢）并产生废物（氦），这限制了核聚变的持续时间。起初，氦聚集在恒星中心，在那里慢慢积累，不会产生任何反应。但最终，核聚变将开始改变这颗恒星。
　　氦的密度比氢大，因此核心变得更重，增加了施加在现在主要位于核心区之外的氢的引力。因此，外层会发生更多聚变反应，这使太阳更热、更亮、更大。这些反应增长缓慢：每过1亿年，太阳的亮度就增加1%。但加在一起，40亿年后的太阳亮度将比今天高出40%，这会导致我们的海洋沸腾。　　聚变越来越热，太阳变得越来越大。核聚变似乎正在取胜，但它消耗燃料的速度也越来越快，最终会崩溃。　　4　　在晚年变得更大　　（未来50亿到64亿年，太阳的年龄：100亿到114亿岁）
　　引力和核聚变之间的斗争持续了数十亿年，核聚变似乎占据了上风。核聚变开始的100亿年后变得非常强大，它实际上甚至逆转了引力，将太阳外层的氢层向外推。
　　到那时，大约50亿年后，太阳的大小将增长到现在的200倍，地球和地球轨道以内的所有行星都将被太阳包裹其中。太阳的大部分将是蓬松的氢外层，相较太阳的其他部分，氢外层的温度较低，但是按照地球的标准，这将是令人无法忍受的高温。在内太阳系的任何地方，生命基本都不可能存在。　　在将引力击退后，核聚变因为延展范围过大开始衰减，但在最终屈服于引力之前，聚变还留了最后一招。　　5　　最后一次闪光　　（未来64亿至65亿年，太阳年龄：114亿至115亿岁）
　　到了114亿岁（64亿年后），太阳将燃烧完核心中的所有氢，为其提供动力来与引力作斗争的燃料耗尽。虽然聚变可以在核心周围的氢层中继续，但它不能再抗衡核心区引力所产生的压力。
　　不过，核聚变还没有完成。当引力将氦核压缩得如此致密，原子被挤压在一起时，氦的聚变就开始做与氢相同的事情。瞬间，氦原子将聚变结合成更重的元素，主要是碳。这是一次字面意义上而非比喻性质的“一闪”。被点燃时，氦聚变释放出的光比得上整个银河系的光。幸运的是，它发生在太阳内部，所以太阳辐射不会把人类在木星卫星的殖民地烧掉。　　聚变反应产生的碳集中在核心，使我们的太阳成为一个由碳、氦、氢组成的“三明治”。
　　在更大的恒星中，循环将继续，产生更重的元素：对大质量恒星来说，核心处的压力变得极大，因此碳聚变为氧，氧又聚变为氖，如此继续。每一次聚变都会更快，但在最大的恒星中，聚变会持续到产生铁为止，因为铁无法自然聚变，所以是聚变的尽头。　　但是，我们太阳的质量不足以聚变碳，所以氦和氢最终被耗尽，太阳则不了了之。　　这个氦聚变阶段从突然爆发开始，持续时间不长——虽然太阳会燃烧100亿年的氢气，但它只会燃烧约1亿年的氦气。　　6　　木星发疯了　　（65亿年后，太阳年龄：115亿岁）
　　当所有燃料耗尽时，聚变就会逐渐停止。太阳的外壳层将抛射出来并形成星云，星云是未来形成行星的原材料。核聚变减弱时，引力继续作用于核心，将剩余的物质聚集成一个非常炽热、密度极高的天体，称为“白矮星”。　　这颗较小的恒星大约是原始太阳质量的一半，但已被压缩成地球大小的球体。
　　这就把那些在太阳膨胀中幸存下来的外行星推向了危险境地。太阳失去了一半质量后，对木星和外行星的引力就没那么大了，这使气态巨星的轨道外移到之前距离太阳的两倍左右。
　　考虑到太阳之前的火暴行为，这听起来是个不错的举动，但也使这些行星更容易受到附近经过的恒星的引力拖拽。在许多情况中，木星和土星的轨道会变得更加混乱，将剩下的其他行星（海王星和天王星）弹出太阳系，直到只剩下它们两个。最终只会剩下一颗，很可能是木星，它将是唯一一颗绕太阳死核运行的气体巨星。
　　此刻，没有任何聚变发生，但白矮星仍然闪耀着光芒，就像一块刚从锻造炉中拿出来的白热金属一样，它依靠自身内部的热量发光，而且会持续很长一段时间。　　现在太阳被困在这一步，温度还不够高，不足以启动聚变引力也不足以将原子挤压得更近，将恒星进一步压缩为中子星或者黑洞。　　7　　末日　　（数万亿年后）
　　一颗白矮星能发光多久？我们真的不知道，因为我们从未见过这样的一颗星变暗。物理学家认为，它可能需要数万亿年才能冷却下来，最终变成一颗黑暗且致密的天体，称为“黑矮星”。但遗憾的是，宇宙现在还不够古老，不足以产生任何黑矮星。
　　这意味着我们的太阳可能以白矮星的形式存在很长一段时间，甚至数万亿年。尽管它不会像年轻时那样炽热或明亮，但如果我们想放弃木星的临时殖民地并在更近的地方定居，它可能还足够温暖，可以维持人类的生命。
　　当我们坐在白矮星的余烬周围时，人类也许会回想起太阳正常燃烧而我们认为这理所当然的时代，并且讲述那个时代生活的样子。我们会回忆起它内部那持续不断的爆炸，和似乎会永远继续下去的阳光灿烂的日子。[责任编辑:
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太阳，是一个近乎理想的等离子球体，同时也是一颗光谱为G2V的黄矮星，它的直径是地球的109倍，体积则是地球的130万倍，质量是地球的330000倍。毫无疑问，太阳是太阳系中质量最高的天体，如果把整个太阳系内的所有天体质量加在一起，甚至包括小行星和宇宙尘埃，太阳占据总质量的99.86%，从这个角度来看，太阳系中除了太阳之外的天体都是“陪衬”。那么太阳是怎么诞生的？它为什么可以持续燃烧几十亿年，太阳的燃料又是什么呢？02 太阳的诞生大约45.7亿年前，在一片巨大的氢分子云中，因为引力的原因，这些物质相互聚集，达到一定程度后发生了引力坍塌，大约10万后，坍塌中心区域形成了太阳，周围的区域慢慢形成了现在的星系系统。这是一个十分缓慢的过程中，在太阳系形成的初期，整个星系都动荡不安，剧烈的碰撞不断发生，地球的卫星月球就是在碰撞中产生的，而太阳本身也在不断变化，大约在太阳诞生5000万年后，太阳内部的温度和压力达到极限，导致了内部核心中的“氢元素”开始发生核聚变，至此太阳才成为一颗“主序星”。为什么原始的太阳系星云会发生变化，促使太阳的诞生呢？科学家认为，太阳系在诞生之前的分子云可能在一个超大质量的恒星附近，这个恒星在走到自己生命的终点后，引起了一次“超新星爆发”，恰好击中了原始太阳系星云，促使了太阳的诞生。简单了解太阳的形成和演化后可以发现，太阳并不是宇宙中的第一批恒星，很可能是第二代或者是第三代恒星，但是太阳的稳定期很长，大约可以维持这个状态100亿年，也就是说太阳还有50亿年的寿命。为什么太阳可以不停的燃烧整整数十亿年呢？从构成上来看，太阳的大部分都是由“氢”和“氦”组成的，大约四分之三的氢，四分之一的氦，还有2％的重元素代表了太阳不是宇宙中第一批恒星。太阳燃烧的燃料就是“氢”，大量的氢不断的进行“核聚变”，就是太阳可以持续燃烧数十亿年的原因，甚至太阳还会继续燃烧数十亿年，直到太阳内核中的氢被大量消耗后，才会因为引力失衡膨胀成为一颗红巨星，就算在膨胀成为红巨星后，太阳也不会停止释放热量，直到彻底冷却成为一颗黑矮星，太阳才会真正停止燃烧。太阳燃烧的本质是原子核发生聚变，根据爱因斯坦的质能方程和质能等价理论，物质可以根据公式转化为能量，两个氢原子的原子核碰撞，聚合成为一个原子核，并且在这个过程中释放出巨大的能量。它的核心之所以会不断的进行核聚变，是因为高温高压的极端环境，太阳内核温度高达1500万摄氏度，压力可达3000多亿个大气压，这样的环境只能用恐怖来形容，对于人类而言，这样的环境是很难直观想象的。太阳是一个典型的主序星，虽然没有庞大的体积或者超高的质量，但是像太阳这样的恒星，通常都寿命很长。在宇宙中，越是质量高的恒星，寿命就越短暂，并且在恒星走到生命尽头的时候，会发生一次“剧烈爆炸”，也就是我们常说的“超新星爆发”。超新星爆发是恒星最后一次“垂死挣扎”，虽然会造成强烈的爆炸，甚至是释放出“伽马射线暴”，摧毁行星的环境。但是恒星死亡时，其实整个恒星上的氦并没有消耗太多，大部分氦元素都会在超新星爆发时喷洒出去，形成新的星云，孕育出新的恒星。恒星是宇宙中的主角，也是宇宙大尺度结构的基础单位，一个个恒星系因为引力相互组合，形成更大的星系，最终形成了宇宙的物质结构。而人类，只是一个普通的恒星系中，一个小小行星上的生物，面对太阳，我们都无比渺小，更别提面对浩瀚的宇宙了。总结一下，恒星是从一大片分子云中诞生，太阳之所以可以燃烧数十亿年，是因为太阳内部的核聚变反应，而太阳燃烧的燃料是恒星中大量的“氢”。
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