太陽正在減肥，地球?qū)鯓樱?/h1>
2018-02-18 01:18:28蘇凱米
科學(xué)之謎 2018年12期
蘇凱米
在地球上，生命已經(jīng)繁衍、進(jìn)化、相互共存了數(shù)十億年。這得益于地球上豐富的物質(zhì)儲備——液態(tài)水、大氣層以及各種元素的原子、分子，也得益于太陽系的“老大”——太陽。
由于太陽一直給地球提供能量，生命才有“力氣”進(jìn)行新陳代謝，又由于太陽“不遠(yuǎn)不近”，熱度正好，地球才擁有合適的溫度和氣候，從物質(zhì)中孕育出生命。顯然，如果太陽出了什么問題，那么地球的宜居性很可能就會被破壞。令科學(xué)家擔(dān)憂的是，太陽雖然占據(jù)了太陽系99.8%的質(zhì)量，但它的質(zhì)量正一天天變輕，經(jīng)歷足夠長的時間，“減肥”后的太陽將會給地球生命帶來毀滅性的影響。
恒星應(yīng)該有多熱？
大約50億年前，一片巨大的分子云在萬有引力的作用下，發(fā)生了質(zhì)量塌縮。越來越多的物質(zhì)被吸引到分子云的中心，形成了一個不斷成長的原始太陽。在原始太陽的周圍，分子云的其余物質(zhì)攤平，形成一個原行星盤，盤內(nèi)種下了太陽系未來行星、衛(wèi)星、隕星的種子。
隨后，兩種力量展開了一場競賽：萬有引力試圖讓我們的原始太陽以及原行星盤內(nèi)的天體繼續(xù)長大;來自我們的原始太陽以及外部恒星的輻射壓力，試圖將塵埃吹走。當(dāng)輻射壓力開始占上風(fēng)的時候，我們的太陽和行星就不能繼續(xù)生長了，沒有物質(zhì)繼續(xù)被吸積下來，現(xiàn)代的太陽系就形成了。這時，我們太陽系的質(zhì)量達(dá)到了頂峰，隨著它不斷通過核聚變將輕元素變?yōu)橹卦兀尫拍芰康牧Χ葧絹碓矫土摇?/p>
初生太陽的質(zhì)量只會變得越來越輕，同時它所釋放的能量只會越來越多，這意味著它會變得越來越熱——這看上去是不是有點矛盾？畢竟，在我們的直覺里，質(zhì)量越大的恒星似乎應(yīng)該越熱。
事實上，決定一個恒星該有多熱的因素只有兩個，而且它們相互制約?？紤]到恒星的能量源自于自身輕元素的核聚變反應(yīng)，科學(xué)家列舉出了這兩個因素：第一個因素是恒星核心區(qū)域的溫度。如果這里的溫度更高，這意味著每一個粒子的能量就更多，那么，當(dāng)兩個粒子碰撞時，發(fā)生核聚變的可能性就更大。第二個因素是核聚變區(qū)域的大小。如果能夠發(fā)生核聚變的區(qū)域更大，那么相同時間內(nèi)，核聚變引發(fā)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)會更多。
如果我們研究、對比兩個不同的恒星，質(zhì)量更大的那個自然傾向于達(dá)到更高的核心溫度，并且擁有一個更大的核聚變區(qū)域。但是如果我們只單獨討論一個恒星，情況就會有所不同。
質(zhì)量越輕的太陽越熱
太陽在燃燒時，通過將氫聚變成氦，獲得能量。質(zhì)子—質(zhì)子鏈反應(yīng)是太陽進(jìn)行核聚變的主要方式，反應(yīng)的最終產(chǎn)物是氦-4，其質(zhì)量輕于起初的反應(yīng)物——氫，質(zhì)量損失大約有0.7%。核聚變反應(yīng)遵循愛因斯坦的質(zhì)能方程，損失的質(zhì)量將會轉(zhuǎn)化成能量。
核聚變反應(yīng)進(jìn)行時，太陽的質(zhì)量緩慢地下降著，核心區(qū)域產(chǎn)生的能量傳輸?shù)奖砻妫磻?yīng)后的氦，因為較重會進(jìn)一步沉積到太陽的中心。在那里，氦無法發(fā)生核聚變，所以在氦富集的中心區(qū)域，單位體積內(nèi)發(fā)生的核聚變會減少。沒有核聚變，輻射會減少，所以氦富集的區(qū)域會在自身引力的作用下塌縮。但引力塌縮會釋放能量，這意味著大量的熱能被傳輸?shù)教柋砻妗?/p>
因此，隨著太陽慢慢“變老”，氦越來越多，引力塌縮越來越厲害，太陽核心區(qū)域的溫度會越來越高，同時，核聚變區(qū)域也將會向外擴張?？傮w上看，太陽上核聚變的速度和核聚變的區(qū)域正隨著時間的流逝而增大。這導(dǎo)致太陽（以及所有與之相似的恒星）向外輸出的能量會越來越多。而傳輸?shù)教柋砻娴哪芰坎粌H會導(dǎo)致光的發(fā)射，還會將太陽光球?qū)由系囊恍┝Ｗ印按怠弊?。電子、質(zhì)子甚至更重的原子核都可以獲得足夠的能量，從太陽表面噴射出來，形成所謂的太陽風(fēng)。這些帶電粒子會傳播到整個太陽系，大部分會完全逃離太陽系，少部分會撞擊到行星的大氣層，從而導(dǎo)致我們在地球上看到的極光。
難以阻擋的趨勢
在過去的幾十億年里，太陽變得越來越熱，但質(zhì)量也越來越輕。直到今天，科學(xué)家觀察到的太陽風(fēng)，規(guī)模大致是恒穩(wěn)的，太陽核聚變能量的輸出比最初大約已經(jīng)增加了20%。如今，科學(xué)家根據(jù)觀察太陽風(fēng)和太陽上的核聚變，測算了太陽到底變輕了多少。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，太陽風(fēng)每秒能帶走大約160萬噸的物質(zhì)，每過1.5億年，太陽將會由于太陽風(fēng)而失去一個地球質(zhì)量。因此，到目前為止，太陽風(fēng)已經(jīng)帶走了30多個地球質(zhì)量。
不過，太陽從核聚變中失去的質(zhì)量比這還要多。太陽能量的輸出功率是一個相對穩(wěn)定的值，約為4×1026瓦，這意味著太陽每秒鐘會把大約400萬噸的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。從核聚變中，太陽每秒鐘損失的質(zhì)量是太陽風(fēng)的2.5倍?？茖W(xué)家估計，在過去的45億年里，太陽由于核聚變已經(jīng)損失了大約95個地球質(zhì)量，相當(dāng)于一個土星。
隨著時間的推移，太陽失去的質(zhì)量將會越來越多，太陽自身將會變得越來越輕。在大約10到20億年之后，太陽將會變得非常熱，地球的海洋將完全蒸發(fā)掉，地表將不再有液態(tài)水。特別是當(dāng)它在50億年后進(jìn)入紅巨星階段時，氦元素在太陽核心區(qū)域的積聚意味著地球會被加熱到更高的溫度?？茖W(xué)家估算，如今的地球已經(jīng)用完了大約四分之三的宜居時間。當(dāng)太陽繼續(xù)變輕時，包括人類在內(nèi)的地球生命都將迎來世界末日，除非我們擁有足夠強大的科技來面對太陽變熱的問題。
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蘇凱米
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由于太陽一直給地球提供能量，生命才有“力氣”進(jìn)行新陳代謝，又由于太陽“不遠(yuǎn)不近”，熱度正好，地球才擁有合適的溫度和氣候，從物質(zhì)中孕育出生命。顯然，如果太陽出了什么問題，那么地球的宜居性很可能就會被破壞。令科學(xué)家擔(dān)憂的是，太陽雖然占據(jù)了太陽系99.8%的質(zhì)量，但它的質(zhì)量正一天天變輕，經(jīng)歷足夠長的時間，“減肥”后的太陽將會給地球生命帶來毀滅性的影響。
恒星應(yīng)該有多熱？
大約50億年前，一片巨大的分子云在萬有引力的作用下，發(fā)生了質(zhì)量塌縮。越來越多的物質(zhì)被吸引到分子云的中心，形成了一個不斷成長的原始太陽。在原始太陽的周圍，分子云的其余物質(zhì)攤平，形成一個原行星盤，盤內(nèi)種下了太陽系未來行星、衛(wèi)星、隕星的種子。
隨后，兩種力量展開了一場競賽：萬有引力試圖讓我們的原始太陽以及原行星盤內(nèi)的天體繼續(xù)長大;來自我們的原始太陽以及外部恒星的輻射壓力，試圖將塵埃吹走。當(dāng)輻射壓力開始占上風(fēng)的時候，我們的太陽和行星就不能繼續(xù)生長了，沒有物質(zhì)繼續(xù)被吸積下來，現(xiàn)代的太陽系就形成了。這時，我們太陽系的質(zhì)量達(dá)到了頂峰，隨著它不斷通過核聚變將輕元素變?yōu)橹卦兀尫拍芰康牧Χ葧絹碓矫土摇?/p>
初生太陽的質(zhì)量只會變得越來越輕，同時它所釋放的能量只會越來越多，這意味著它會變得越來越熱——這看上去是不是有點矛盾？畢竟，在我們的直覺里，質(zhì)量越大的恒星似乎應(yīng)該越熱。
事實上，決定一個恒星該有多熱的因素只有兩個，而且它們相互制約?？紤]到恒星的能量源自于自身輕元素的核聚變反應(yīng)，科學(xué)家列舉出了這兩個因素：第一個因素是恒星核心區(qū)域的溫度。如果這里的溫度更高，這意味著每一個粒子的能量就更多，那么，當(dāng)兩個粒子碰撞時，發(fā)生核聚變的可能性就更大。第二個因素是核聚變區(qū)域的大小。如果能夠發(fā)生核聚變的區(qū)域更大，那么相同時間內(nèi)，核聚變引發(fā)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)會更多。
如果我們研究、對比兩個不同的恒星，質(zhì)量更大的那個自然傾向于達(dá)到更高的核心溫度，并且擁有一個更大的核聚變區(qū)域。但是如果我們只單獨討論一個恒星，情況就會有所不同。
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核聚變反應(yīng)進(jìn)行時，太陽的質(zhì)量緩慢地下降著，核心區(qū)域產(chǎn)生的能量傳輸?shù)奖砻妫磻?yīng)后的氦，因為較重會進(jìn)一步沉積到太陽的中心。在那里，氦無法發(fā)生核聚變，所以在氦富集的中心區(qū)域，單位體積內(nèi)發(fā)生的核聚變會減少。沒有核聚變，輻射會減少，所以氦富集的區(qū)域會在自身引力的作用下塌縮。但引力塌縮會釋放能量，這意味著大量的熱能被傳輸?shù)教柋砻妗?/p>
因此，隨著太陽慢慢“變老”，氦越來越多，引力塌縮越來越厲害，太陽核心區(qū)域的溫度會越來越高，同時，核聚變區(qū)域也將會向外擴張?？傮w上看，太陽上核聚變的速度和核聚變的區(qū)域正隨著時間的流逝而增大。這導(dǎo)致太陽（以及所有與之相似的恒星）向外輸出的能量會越來越多。而傳輸?shù)教柋砻娴哪芰坎粌H會導(dǎo)致光的發(fā)射，還會將太陽光球?qū)由系囊恍┝Ｗ印按怠弊?。電子、質(zhì)子甚至更重的原子核都可以獲得足夠的能量，從太陽表面噴射出來，形成所謂的太陽風(fēng)。這些帶電粒子會傳播到整個太陽系，大部分會完全逃離太陽系，少部分會撞擊到行星的大氣層，從而導(dǎo)致我們在地球上看到的極光。
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不過，太陽從核聚變中失去的質(zhì)量比這還要多。太陽能量的輸出功率是一個相對穩(wěn)定的值，約為4×1026瓦，這意味著太陽每秒鐘會把大約400萬噸的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。從核聚變中，太陽每秒鐘損失的質(zhì)量是太陽風(fēng)的2.5倍?？茖W(xué)家估計，在過去的45億年里，太陽由于核聚變已經(jīng)損失了大約95個地球質(zhì)量，相當(dāng)于一個土星。
隨著時間的推移，太陽失去的質(zhì)量將會越來越多，太陽自身將會變得越來越輕。在大約10到20億年之后，太陽將會變得非常熱，地球的海洋將完全蒸發(fā)掉，地表將不再有液態(tài)水。特別是當(dāng)它在50億年后進(jìn)入紅巨星階段時，氦元素在太陽核心區(qū)域的積聚意味著地球會被加熱到更高的溫度?？茖W(xué)家估算，如今的地球已經(jīng)用完了大約四分之三的宜居時間。當(dāng)太陽繼續(xù)變輕時，包括人類在內(nèi)的地球生命都將迎來世界末日，除非我們擁有足夠強大的科技來面對太陽變熱的問題。
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