太阳每秒消耗420万吨物质,已经烧了46亿年,为什么能烧这么久?

太阳每秒消耗420万吨物质,已经烧了46亿年,为什么能烧这么久?

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每秒 420 万吨很多吗?是的,在地球上对于一个人,甚至一个地区乃至一个国家来说,这个数量非常大。但相对太阳来说,就很渺小了。这个渺小有多小呢?这么说吧,整个地球丢进太阳这个大熔炉里,就像一个核桃丢进一个巨大的炼钢炉,只会起几个小泡泡。

那么,任何在地球上看起来很巨大的东西,在太阳面前都不值一提。太阳质量约为 2*10^30kg,是地球的 33 万倍,体积更是地球的 130 万倍。太阳每秒钟消耗掉 420 万吨物质,这部分物质转化为能量就非常巨大了,根据爱因斯坦质能方程公式计算,可达到 3.78*10^26J(焦耳)。

也就是说,太阳每秒钟释放的能量,相当 9 亿亿吨 TNA 炸药爆炸当量,是 2024 年世界电力消耗总量 30.85 万亿 kw/h 的 340 万倍,也就是说太阳 1 秒中释放的能量,能让地球人类使用 340 万年。

让人类认识到质量与能量之间的关系,知道了很小的质量就能爆发出巨大能量,是爱因斯坦巨大发现和贡献。极小质量爆发出巨大能量的前提是核聚变,需要极端的条件才能实现。比如太阳核心的核聚变,就是在 1500 万 K 高温,3000 亿个大气压强状态下持续不断的。

但这并不等于说,太阳的消耗会很快,因为与太阳巨大的质量相比,420 万吨只是一个极小的量。

我们可以简单计算一下,每秒消耗 420 万吨,每小时 3600 秒,每天 24 小时,每年 365.25 天,就是 31557600 秒,太阳就烧掉了约 133 万亿吨质量(1.33*10^14 吨)。这个数字看起来很大,但只相当太阳质量不到百万亿分之七。

所以,太阳再烧 50 亿年,就烧掉了 6.6*10^23 吨质量,相当烧掉了 110 个地球质量,但也仅占太阳质量 2*10^27 吨的万分之三点三。太阳整体寿命约 100 亿年,已经烧了约 50 亿年,加上后来还要烧 50 亿年的质量,总共才消耗质量约万分之六点六,只不过相当太阳一点皮毛而已。

但维系太阳稳定的不仅仅是质量,而是核心持续不断的氢核聚变。是氢核聚变形成的强大辐射压,抵御住太阳本体质量的强大收缩压,形成一个平衡,太阳才能稳定地辐射出光和热。所有恒星都有这样一个阶段,叫主序星阶段,是恒星演化过程时间最长最稳定的阶段。

恒星演化过程损失的质量只是氢核聚变过程的极小部分。事实上,每秒钟太阳有 6 亿吨氢参与核聚变。核聚变就是核融合,4 个氢核融合为一个氦核,聚变出 5.968 亿吨的氦,约有 0.7%也就是 420 万吨质量转化为能量。经过 100 亿年的氢核聚变燃烧,太阳核心能够参与核聚变的氢将会消耗殆尽,这样太阳的主序星阶段就过去了,进入演化晚期,变得极不稳定。

太阳演化晚期,核心的氢烧完了,留下一个氦核心,没有了核聚变辐射压抵御本体质量巨大引力收缩压,外围物质向核心急剧坍缩,导致更高的温度和压力,就会点燃氦核聚变。氦核聚变完成后生成了氧和碳,太阳这种质量恒星的引力压与温度已不足以催动氧、碳核聚变,由此太阳将寿终正寝。

这个阶段约需 10 亿年,期间,太阳渐渐膨胀为一颗红巨星,半径是原来的 200 余倍,此时的太阳引力已不足与聚集外围气体物质,这些气体物质不断喷射抛撒到太空,硝烟散尽,最终在核心部分只留下一颗与地球体积差不多,主要由处于电子简并态的碳、氧元素组成的白矮星,密度高达每立方厘米 10 吨。

那时,地球等行星的命运将不知所终。一般认为,水星和金星会被变成红巨星的太阳所吞噬,地球或被吞噬或被烤成一颗焦“土豆”。不过也有人认为,由于晚年的太阳引力减弱,地球等行星会飘向更远的深空,在漆黑酷寒的太空中成为冻结的冰球。

白矮星的寿命可达百亿年以上,如果没有新的质量吸积,就会慢慢冷却,最终成为一颗黑矮星。