太阳就像一个熊熊燃烧的大火球,每时每刻都在向外释放出光和热,其中的极小一部分(大约22亿分之1)传递到了地球上,地球也因此而变得温暖和舒适。
太阳每秒钟释放出的能量大约为3.8 x 10^26焦耳,根据爱因斯坦的质能方程E=MC^2,我们就可以计算出太阳每秒钟会损失大约400万吨的质量,假如将计时单位换成小时的话,我们就可以得到一个令人吃惊的结论,即太阳每小时会“烧”掉144亿吨的物质。那么太阳在未来会不会变得越来越小呢?
一般来讲,既然太阳在不断地损失物质,那么太阳在未来应该会越来越小才对,但科学家却告诉我们,实际情况却恰恰相反,在未来的日子里太阳的体积将会持续增大,在大约50亿年以后,太阳还会变身为一颗巨大的“红巨星”,其表面甚至会膨胀到地球轨道附近。
太阳每小时会“烧”掉144亿吨物质,为何在未来还会越来越大?
首先要说的是,太阳的质量大约有2千亿亿亿吨(2 x 10^27吨),由此可见,与太阳本身的质量相比,144亿吨根本就不算什么,按照每小时“烧”掉144亿吨的速度,即使在50亿年以后,太阳因此而损失的质量也不过占其总质量的万分之3左右,对太阳的影响可以说是微乎其微。那么为什么太阳在未来还会越来越大呢?这需要从太阳的内部机制来解释。
从本质来看,宇宙中所有的星球都是大量的物质在引力作用下凝聚而成,太阳当然也不例外,由于太阳的质量很大,其星体就会因为自身的重力而不断地坍塌,越往内部的物质,其压缩程度就越高,物质密度也就越大。
随着坍塌过程的持续,太阳的核心区域的物质密度就越来越大,同时温度也越来越高,当达到一个临界值的时候,太阳核心的氢核聚变就被点燃了,这就是太阳的光和热的能量来源。
核聚变释放的能量是相当巨大的,在太阳核心的核聚变启动之后,其释放的能量就会汹涌而出,进而在太阳内部产生一个向外的压力,我们可以将其称为辐射压,它可以有效地阻止太阳的坍塌。
当太阳核心的核反应较弱的时候,重力就会占上风,这时太阳的体积就会因为重力而缩小,而体积缩小了,太阳核心的物质密度和温度就会进一步增加,所以核反应就会趋向于更加剧烈,从而使辐射压大幅增强,于是辐射压就占了上风。
在这种情况下,太阳的体积就会膨胀,而在膨胀之后,其核心的物质密度和温度就会降低,这又会使核反应变弱,于是重力又会重新占到上风……
也就是说,太阳的自身重力能让太阳的体积持续收缩,而太阳内部的辐射压则能让太阳的体积膨胀,所以我们可以认为,太阳的体积大小取决于这两种力量的平衡状态。那么这两种力量会一直保持现在这种平衡状态吗?答案当然是否定的,因为太阳的“核燃料”终归是会被“烧”完的,所以重力将会是笑到最后的一方。
但在这个过程中的很长一段时间里,太阳内部辐射压却会逐渐加强,从而让太阳越来越大,为什么这么说呢?
氢核聚变的最终产物是氦,而太阳核心的温度以及物质密度是不足以点燃氦核聚变的,因此这些氦就会在太阳核心不断聚集,这就会造成太阳核心壳层向外扩张,从而使氢的聚变区域越变越大。
聚变区域变大了,同等条件下的参与核聚变的氢就会更多,而太阳的重力却几乎一直不变,所以太阳的辐射压就会逐渐增强,并导致太阳在未来越来越大。事实上,在这种机制的作用下,太阳从诞生以来就一直在变亮,相应的其体积也在不断地增大。
由于太阳内部的辐射压非常强劲,以至于太阳外层的氢根本就无法进入太阳的核心区域,因此现在的太阳其实只有核心的一小部分区域在“燃烧”,其半径只有太阳半径的4分之1左右。
在大约50亿年后,太阳核心的氢就会被消耗殆尽,在这种情况下,太阳就会因为内部失压而急剧坍塌,从而使其核心形成一个温度和物质密度更高的环境,这就会使太阳外层的氢在太阳核心外围发生剧烈的核聚变反应,从而集中释放出巨大的能量。
这种现象被称为“氢壳层核聚变”,在此之后,太阳内部的辐射压将会急剧增长,以至于其自身重力根本就无法与之抗衡,于是太阳就会像“吹气球”一样迅速膨胀,从此演化成一颗“红巨星”。
与此同时,因为太阳的核心依然没有辐射压,所以它还会继续坍塌,其温度和物质密度会进一步增加,当达到一个临界值的时候,太阳核心的氦核聚变就会被点燃,并在极短的时间释放出比之前的氢核聚变高出上亿倍的能量(单位时间内),这就是大名鼎鼎的“氦闪”了。
简单总结一下,虽然太阳每小时会“烧”掉144亿吨的物质,但是这种质量损失对太阳来说是极为微小的,而太阳之所以在未来不会越来越小,而会越来越大,其实是因为受到太阳内部的辐射压的影响。值得一提的是,当上述的一切结束之后,太阳会演化成一颗致密的白矮星,届时它的体积将会和地球差不多大。