太陽的年齡和壽命
太陽源源不斷地以電磁波的形式向宇宙空間放射能量.這種能量是由四個(gè)氫原子核在高溫高壓的條件下聚變成一個(gè)氦原子核而釋放出來的.我們知道,一個(gè)氫原子核的原子量是1.00728,一個(gè)氦原子核的原子量是4.0015,4個(gè)氫原子核的質(zhì)量應(yīng)為4.0292.當(dāng)4個(gè)氫原子核聚變成1個(gè)氦核時(shí),就要虧損0.0276個(gè)單位的質(zhì)量,其中,1克氫核聚變成氦核時(shí)要虧損0.0069克的質(zhì)量.這就是說,太陽能的產(chǎn)生是以消耗質(zhì)量為代價(jià)的,而且這些質(zhì)量轉(zhuǎn)化成太陽輻射就不再屬于太陽了.太陽每秒鐘要損失大約400萬噸的質(zhì)量,對于巨大的太陽質(zhì)量來說簡直太微不足道了.從太陽誕生到目前的50億年中,太陽僅消耗了0.03%的質(zhì)量,即使再過50億年也僅消耗太陽質(zhì)量的0.06%.可問題是,太陽質(zhì)量再大,總還是有限的,到底太陽的壽命還能維持多長時(shí)間呢?對地球又有什么影響呢?
太陽的一生是從星云開始的,最后一直到紅巨星、白矮星,成為太陽的死骸,這一過程大約要經(jīng)過100億年,也就是說再過50億年將是太陽的死期,而我們?nèi)祟惿畹牡厍驅(qū)⒃谔栕兂膳蛎浀募t巨星時(shí)被其吞掉.如果我們?nèi)祟惸苌娴侥莻€(gè)時(shí)代的話,就只能飛到其他星球上去生活了.
太陽內(nèi)部發(fā)生的是核聚變.
太陽的原始高溫是由它的內(nèi)部壓力而來.根據(jù)萬有引力定律原理,物體的質(zhì)量越大,其引力就越大.早年的太陽在滾雪球般發(fā)展時(shí),隨著質(zhì)量的增加,引力也愈強(qiáng),吸引周圍的物質(zhì)就越多,就更增加了質(zhì)量,如此循環(huán),太陽的質(zhì)量越來越大.同時(shí)質(zhì)量越大內(nèi)部壓力越大,從而溫度不斷的升高.產(chǎn)生熱核聚變的條件是要有足夠的壓力(稱之為臨界壓力)和合適的點(diǎn)火溫度.隨著原始太陽質(zhì)量的不斷增大,內(nèi)部壓力和溫度的升高,達(dá)到滿足產(chǎn)生熱核反應(yīng)的條件后,太陽就開始發(fā)光發(fā)熱,成為一顆恒星.一般來講,氣體星球要成為恒星,必須要有一定的質(zhì)量,這樣它內(nèi)部的壓力和溫度才能達(dá)到熱核反應(yīng)的條件,這個(gè)質(zhì)量叫做臨界質(zhì)量.典型的例子就是我們太陽系中最大的氣態(tài)行星—木星,同樣也是由氫元素構(gòu)成的氣態(tài)星球,但由于它的質(zhì)量小于臨界質(zhì)量,內(nèi)部的壓力和溫度達(dá)不到產(chǎn)生熱核聚變的條件,所以它只能是一顆氣態(tài)行星.不過它是一顆潛在的太陽,有科學(xué)家推測,將來太陽毀滅后,沒有太陽制約的木星將憑著它太陽系老大的地位吸引周圍的行星自成一個(gè)小太陽系,同時(shí)也不斷吸收周圍的物質(zhì)增加質(zhì)量,達(dá)到臨界質(zhì)量后就會(huì)發(fā)光發(fā)熱,成為另一顆太陽,不過那是50億年以后的事了.
太陽的壽命
太陽光發(fā)出很大的能量已經(jīng)很久了.地質(zhì)學(xué)家估計(jì),太陽已經(jīng)發(fā)光了50億年.這樣大的能量是從哪里來的呢?太陽還可以再燃燒多久呢?
古代的人類,曾經(jīng)認(rèn)為太陽是正在熊熊燃燒著的一堆煤.雖說太陽的質(zhì)量很大,但如果太陽真的在燃燒煤或油,根據(jù)每天消耗的能量,它只能燒五年就完了,那么太陽早應(yīng)該熄火黑暗了.太陽能燃燒這么久,曾是科學(xué)上的一個(gè)謎.
20世紀(jì),隨著科學(xué)的發(fā)展,原子物理學(xué)揭示了太陽釋放能量的本質(zhì).原來,太陽及天上所有的恒星都是在用聚變原子能.氫元素是宇宙中最普通的物質(zhì).太陽現(xiàn)在還有很多氫氣,正在聚變成為氦的過程中,太陽自己的引力將聚合氫原子過程集中起來,在太陽中心溫度高達(dá)1500萬攝氏度,氫就可聚合成較重的氦.有一部分氫變成能,成為熱與光照向各方.
估計(jì)再過50億年,太陽的大部分氫會(huì)聚合成較重的氦,氦需要更高的溫度,才能聚合成碳,因氦較重,其引力會(huì)更強(qiáng),使太陽中心壓力加高,當(dāng)氣體壓力增高時(shí),按氣體定律,溫度就會(huì)自動(dòng)提高,當(dāng)太陽大部分是氦時(shí),其中心溫度會(huì)增高到現(xiàn)在的10倍,達(dá)到一億度時(shí),氦就聚合成更重的碳,然后因引力會(huì)產(chǎn)生更高的溫度而將碳聚合成氮.如此重演累進(jìn)到氧等更重的物質(zhì),一直到鐵,在高溫中,所有物質(zhì)都成為氣體.
當(dāng)太陽的氦開始聚合時(shí),它將成為一個(gè)巨大的氦原子彈而爆炸,使直徑擴(kuò)大100多倍. 因膨脹過大,其表面溫度反而會(huì)降低,使太陽表面前顏色從現(xiàn)在的高溫白色變成低溫的紅色,成為一顆“紅巨星”.
如一顆恒星有與太陽相同的質(zhì)量,原子聚合會(huì)順序成為較重的物質(zhì)直到鐵,聚合成鐵所消耗的能與產(chǎn)生的能是相當(dāng)?shù)?所以并沒有多余的能發(fā)生.一旦太陽沒有熱能來源時(shí),它會(huì)開始冷卻縮小,縮到最后會(huì)使太陽中心具有很高的壓力.高到將原子外層電子殼壓潰了,使電子不再在核子外旋轉(zhuǎn),電子與核子成為沒有規(guī)則結(jié)構(gòu)的高密度混合物,這時(shí)太陽就成為一顆“白矮星”,以后漸漸冷卻暗淡,成為“黑矮星”.至此,太陽的活動(dòng)就徹底結(jié)束了.
如果一顆恒星有10倍太陽的質(zhì)量,聚合過程中溫度會(huì)升高得很快而引起“超新星爆炸”,大爆炸的中心會(huì)形成一個(gè)密度極高的中子星.如果一顆恒星有太陽30倍以上的質(zhì)量,大爆炸的中心則有可能形成一個(gè)黑洞.
當(dāng)太陽成為一顆紅巨星時(shí),外表直徑增加到現(xiàn)在的100多倍. 從地球上看,白天太陽幾乎占滿了天空.這情形是很嚇人的.雖然太陽表面溫度低了一些,但因太陽面積增大幾萬倍,離地球又近,太陽照到地球上的能量過多使地面太熱了,地面的水變成蒸汽,海洋成為沙漠,我們不可能在此生存了.估計(jì)50億年后,太陽會(huì)變成可怕的紅巨星,這就是世界的末日.
那時(shí)我們?nèi)绾翁由?唯一的生路,就是尋找新的“太陽”,移民到太陽系以外適合我們生存的行星上去.所幸的是我們銀河系就有1000億個(gè)發(fā)亮的恒星.每一恒星附近常有好幾個(gè)行星.太陽是一顆普通大小的恒星,在離銀河系中心四分之三的外圍中.宇宙中至少有1000億個(gè)不同的銀河系.有的還沒有被發(fā)現(xiàn)呢.宇宙大極了,幾乎是有無限大的空間和資源.宇宙中的行星多得難以計(jì)算,我們的機(jī)會(huì)不少.想必那時(shí)人類的宇航科技應(yīng)該是高度發(fā)達(dá)的,這項(xiàng)“外星移民”工程必將能夠?qū)崿F(xiàn).
太陽的壽命是如何推算出來的
太陽的能量來自內(nèi)部的核反應(yīng).最基本的反應(yīng)是4個(gè)氫原子變成一個(gè)氦原子.
這時(shí)要損失約0.7%的質(zhì)量.這部分質(zhì)量將轉(zhuǎn)化為能量,轉(zhuǎn)化由愛因斯坦質(zhì)量能量方程描述.
根據(jù)恒星演化理論,如果有12%的質(zhì)量損失,恒星將離開主星序.天文學(xué)上將恒星在主星序
停留的時(shí)間作為他的壽命.
因此將恒星釋放的總能量除以他的光度就是他的壽命.
將太陽的相關(guān)數(shù)據(jù)帶入,得到太陽的壽命為100億年.