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太阳为什么要变成红巨星,祸害整个太阳系?它已经忍了很久了!

太阳是太阳系的引力中心,它在太阳系中的地位是凌驾于所有天体之上的,因为只有它的存在才能使太阳系得到延续!作为泽被太阳系苍生的天体,理应为太阳系守护一生,但在太阳的生命末期,却会将自己膨胀成红巨星,毁灭它所守护的一切!其实我们应该理解太阳的这种行为,因为从恒星演化的角度来看,它为了太阳系的一切已经忍了很久了!

恒星的演化与其质量密切相关,不同质量的恒星其演化路线完全不同,下面我们就此展开,了解下太阳演化的秘密。太阳的前身

1、褐矮星

太阳诞生于一片早期恒星超新星爆发后的尘埃云,它并非第一代恒星,这从太阳光谱中发现了多种不属于太阳的元素可以证明。从星云的不稳定性导致坍缩开始,到博克球状体形成形成早期恒星胚胎,在原恒星的过程中,它将会经历太阳生涯中的第一次质变,因为它的质量达到了木星的13倍以上,这就是传说中存在的褐矮星。

“褐矮星”的概念是1975年美国天文学家吉儿·塔特提出的,但直到80年代中后期发现氢的同位素氘的聚变下限修正为1.2%M⊙,因此在木星以上与红矮星之间还正式存在一种天体叫做褐矮星。

离地球最近的褐矮星是NASA的广域红外线巡天探测卫星在2013年发现的Luhman 16。这类天体发光极其暗淡,在可见光波段是难以探测其存在,但广域红外巡天卫星开阔了视野。

2、主序前星

这是太阳成为主序星前的最后一个阶段,在原始行星盘尘埃尚未完全落入恒星前都被认为是原恒星,当然恒星风开始将周围的尘埃带驱离,恒星的吸积过程停止,太阳将正式成为主序星中的一员。

主序星:对于太阳这样的恒星,主序星阶段就是以氢元素燃烧为主的阶段,这也是恒星流体静力平衡阶段,因此在主序星阶段运行是一颗恒星最稳定的阶段。太阳的主序星阶段

在太阳的主序阶段开始之前,其内核的氢元素聚变过程早已开始,但我们把太阳的内核的聚变过程放到主序星阶段来介绍,方便理解。

1、太阳的燃料

上文我们介绍了褐矮星阶段的氘聚变,这个阶段能达到氘和锂的核聚变,但这并不能持续太久,因为在恒星元素中氘与锂的比例很低,因此它最多只能持续数千万到一亿年!而太阳诞生于一片上一代恒星超新星爆发后的星云,星云中包含了多种元素,但对于太阳的主序星阶段来说,能利用的也就是氢和氦元素而已,其它元素就没有用了?并不是,它们是给氢元素聚变搭建平台的!

氢的同位素有三种,分别是:

1质子+1电子的氕

1质子+1中子+1电子的氘

1质子+2中子+1电子的氚

上文说明了氘的比例很低,而氚的比例更低,我们知道由于结合能的关系,氘和氚相对比较容易聚变,而ITER正在努力实现的也是氘氚聚变,但太阳不行,因为那点诞生时遗留的氘和氚早已被耗尽,那么太阳的核聚变是如何展开的呢?

2、太阳的能量产生机制:质子反应链

质子反应链的第一步两个质子的氕反应生成氘,如上图。真正的过程是这样的,两个质子首先聚变成氦-2,但这种元素极不稳定,会释放一个正电子和中微子,变成1质子+1中子的氘。

但这个过程极其缓慢,假如太阳内部只有这两个质子的话,也许要过上十亿年才能发生这样一次机会,为什么可能性会那么低?因为质子与质子之间的库仑斥力会导致这几乎没有可能,那么是否没有机会了呢?当然不会,因为现在太阳就在持续燃烧中!这是发生在微观粒子之间的“量子隧穿效应”的结果!所以各位要努力了哦,量子力学告诉大家,不可能的事情也会变成可能哦!而且太阳内核极致高温的区域有的是质子,这种机会发生仍然非常频繁!

质子反应链的第二步氘和氕反应生成氦-3,有了中子的中和,这个反应需要的结合能明显降低,而且它释放的能量比质子链的第一步氕氕聚变要高得多。如上图:1质子+1中子的氘和1质子的氕克服库伦斥力结合在一起,释放出5.494MeV,这是太阳内核正在大量发生的过程!

质子反应链的第三步氦-3和氦-3反应生成氦-4,而且释放出的能量超大!这是最“干净”的核聚变反应,现在ITER正在努力的氘氚聚变会有一个多余的中子释放,而中子的屏蔽解决起来非常麻烦,但氦-3聚变反应过程没有多余的中子释放。这是一个利好消息,但更好的消息是太阳上反应生成的氦-3会随着太阳风扩散到太阳系中的每一颗行星上,坏消息是地球的磁场和大气层阻挡了氦-3到达地表,不过幸亏月球没有大气层,因此月球上氦-3经过四十多亿年的积累,资源非常丰富!要不然我们还得去水星上开采

上图为质子反应链三步的完整过程,反应链中的每一个步骤都会发生质量改变,而质量的改变意味着能量的改变,从氕氘聚变开始,新的原子核都会比之前原子核质量有所亏损,太阳巨大的能量就来自于此,能量的大小遵循质能守恒E=MC^2。

除了质子反应链以外,类日恒星还有一个产生能量的途径是碳氮氧循环但太阳只有1.7%的氦-4核是经由碳氮氧循环产生,比太阳更大的恒星则主要能量来源都是经碳氮氧循环反应生成。

3、流体静力平衡

在主序星阶段,太阳内核聚变产生的辐射压与引力坍缩能处在相对平衡的阶段,因此主序星阶段的太阳非常稳定,尽管比起12光年外的天仓五那几乎没有强烈耀斑活动的恒星来说仍然有所差异,但跟太阳的后期相比,现在仍然是太阳的黄金时间段。这个时间会持续大约70-80亿年,从太阳诞生46亿年来,这个阶段已经过去一半多,但未来会随着太阳的发展逐渐走向平衡失控阶段。太阳的红巨星阶段

0.5M⊙以下的恒星不会发展到红巨星阶段,因为它的内核的对流层直达表面,中心不会氦堆积,下图为不同质量恒星的结构:

1、早期氢加速燃烧的膨胀阶段

上图为主序星阶段的恒星内部结构,环形箭头为对流层示意图,闪电箭头为辐射层示意图。在恒星的主序星阶段,经过质子链循环内核产生氦元素,太阳质量的引力坍缩能并不足以在主序星阶段让氦发生聚变,因此当氦元素累积后,无法燃烧的氦内核会出现收缩。

内核的收缩会导致有外层部分氢元素进入内核由于内核温度升高,此时的氢元素燃烧会加速燃烧,产生比主序星阶段更大的能量,结果就是辐射压剧增,恒星出现膨胀!

此时恒星流体静力平衡逐渐失衡,辐射膨胀压力逐渐战胜引力,恒星体积越来越大,恒星走向红巨星化!

2、太阳的第一次氦闪

氢壳层的加速燃烧会累积更多的氦,随着中心氦核质量增加,氦核收缩将产生更高的温度,当达到点燃氦-3的温度时,氦聚变将会迅速开始!在极短的时间内,中心已经处在简并态的氦内核将会在数分钟之内聚变完成!很多朋友将之介绍为氦聚变剧烈其实错误的,准确的说法是在正常条件下聚变,内核会根据热压力来调节内核的温度而不至于让内核失控!但简并态的氦核是一个极致致密的内核,并不具备这种调节功能,因此这个过程会在极端的时间内完成,产生的功率仅次于超新星爆发。处于电子简并态的氦核质量约为恒星质量的40%,在这个过程中核心约有6%的质量被转化成碳。太阳的第一次氦闪会在脱离主序星12亿年后发生。

正在经历氦闪的樱井之星

因为氦闪爆发的能量大都被膨胀的外壳所吸收,因此我们难以直接观测到氦闪,但有一种氦闪可以被直接观测到,就是白矮星吸积伴星物质形成氢壳累积后,失控的聚变会形成新星爆发。而伴星如果已经失去了大部分氢,那么氦吸积到白矮星后会形成白矮星氦闪。

太阳的氦闪时代

第一次氦闪的能量被外壳耗散后会在内核引力的作用下继续产生氢壳,又会重新开始聚变积累氦,当达到一定质量后,氦闪又会在氦碳核外层发生,往复这个过程,一直到氦碳氧核等太阳无力再达到的温度而最终停止!

而太阳在这个反复拉锯战中膨胀得越来越大,最终会达到2AU的直径,也就是太阳的外部气壳将会达到地球轨道附近,上图橙色小球是太阳的主序星时代,两者对比差距不是一般的大。

在这个过程中太阳的光度会反复变化,一直到外壳距离内核越来越远!太阳的白矮星阶段

当然内核的引力再也无法束缚住远离的外壳时,太阳将的发展将进入下一个阶段,气壳将逐渐远离成为行星状星云,而内核则留在中心做它的简并态白矮星,因为类日恒星的内核质量并不能突破钱德拉塞卡极限坍缩为中子星,它只是极致的电子简并态天体,所以白矮星恒星终极目标中最后一个还能分得出元素的天体哦!

IC 418位于天兔座的一个行星状星云,直径0.3光年,距离地球约2000光年,太阳的未来也是一个行星状星云,但我们无法猜测它未来的形状,但以剧烈的超新星爆发相比,行星状星云的扩散是非常温和的,因此它的形状大都是圆形或者椭圆结构为主,当然也有少数例外的,要不然怎么会被成为行星状星云呢?

行星状星云的结构,未来整个太阳系都将被行星状星云包裹,而且炽热的恒星物质会通过太阳系内所有空间向外扩散,你可以知道地球未来将面临的命运,而最终留存下来的行星要面对的是光度大幅减小的白矮星,浴火重生是美好的愿望,但地球浴了火却不会重生,而是堕入九重寒天,永劫不复!

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