把木星的氢气和氦气全部加到太阳上,太阳的寿命会变长还是变短?

把木星的氢气和氦气全部加到太阳上,太阳的寿命会变长还是变短?

太空僧,和尚洗头用飘柔

太阳寿命将变短,不过只变短那么一丢丢。

核聚变

我们知道,像太阳这样的主序星的寿命取决于恒星核心处是否有足够的氢经核聚变为氦[1]

太阳是由 71.3%的氢 +27%的氦等组成的,木星是由 86%的氢 +14%的氦等组成的。看上去似乎木星的氢的占比要多一点点。如果简单的把它们看成初中化学中的溶液或气体混合,也许会得出太阳的氢占比将变多的结论。

但这忽略了一个问题,就是如果把木星的大气加到太阳上。如果只是拿个大号吸管从木星抽取再注入太阳,或者直接让木星撞击太阳,那么绝大多数的木星气体将停留在太阳”表面“(对流层)。我们知道,太阳内部主要分为核心区、辐射区和对流区三层,太阳的能量来源于其核心部分,停留在对流层的气体不会直接参与核心区的核聚变。

也就是说,”太阳所有氢转化为氦时寿命才会结束“是错的。在实际的观测和目前的理论框架中,只要恒星核心(唯一一个高温高压到足以首先发生聚变的地方)中的质量完全从氢转化为氦后,核心的核聚变就会停止,恒星将脱离主序带。

下图是类日恒星从生到死期间,氢(黄色)和氦(蓝色)含量的变化,可以看出,即使是太阳到了要挂了的 100 亿年寿命时,外层的氢含量依旧与新生的恒星一样多。所以”浮“在太阳表面的木星不足以直接影响其核心的核聚变过程。

类日恒星从生到死期间,氢(黄色)和氦(蓝色)含量的变化

冷与热

有人说,木星比较冷,太阳比较热,把木星注入太阳后会让太阳的温度变低,所以改变的太阳的寿命。先不说别的,首先木星整体比太阳还热,虽然木星表面温度只有 110K(也就是约零下 160 摄氏度),但只要进入大气层几千公里,木星的温度就比太阳要高了,核心温度有 24000K,而太阳表面只有 6000K 左右,所以实际上反而会让太阳的光度增加。

那为什么又说太阳寿命将变短呢?

因为额外的质量通常会缩短主序星的寿命[2]

主序星的寿命可以表示为:

而通过大量观测可知,燃料消耗率

[3]

代入可得

,即体重越大,寿命越短

这是因为,本来太阳处于流体静力学平衡的状态,向外的压力完全抵消了向内的引力。现在把木星加到太阳上,多出来的质量将使太阳的引力变大,从而让核心区变得更加致密,将加速热核聚变的进程。从上面的公式可知,其寿命会因质量的增加而变短。

我们知道,太阳的质量占掉了整个太阳系质量的 99.8%,而木星又占了剩下质量的 70%,所以木星的质量虽然是太阳系其他行星质量总和的 2.5 倍,却只有太阳的千分之一。

按 100 亿年寿命算,太阳将折寿 0.1 亿年,按人的寿命 100 年来比喻,就是短了约 1 个月的寿命。

(以上计算忽略掉了木星巨大的动能和开尔文 - 亥姆霍兹不稳定性,忽略木星撞太阳前被潮汐力撕碎的可能性,也忽略了木星撞太阳产生的额外角动量对太阳的磁活动产生的巨大影响。这些因素足以改变上面的计算结果,因为估计没人看到这里就略了)