我们认识的第一颗恒星就是太阳,经过科学家数百年的观测与验证,建立起了最可靠的太阳标准模型!但吃瓜群众们正听说,太阳每秒都丢失400万吨质量,这是什么情况?根据万有引力,这太阳变轻了,地球距离太阳越来越远,以后晒不到太阳了?
太阳每秒损失400万吨质量,到底是怎么算出来的?
很久以前科学家就想搞清楚太阳到底是怎么发光的,十九世纪的科学家提出了各种各样的解释方法,比较离谱的有认为太阳应该是烧煤的,毕竟那会也就知道煤炭能燃烧,并且热值很高,至少比上帝创造太阳的理论是科学多了!
不过这个理论明显不如坍缩论和小行星撞击论,前者认为太阳引力坍缩释放的热能,还有小行星不停撞击产生的热量,但根据黑体辐射一计算,显然远远超出了科学家的预估,这个方法挺简单,地球赤道上每平方米的获得的辐射能,然后按地球所在的半径扩大到整个球体,那么就是太阳的所辐射的功率了!
质能守恒和核聚变理论
进入二十世纪后有两个突破是搞清楚太阳原理的关键,一个是爱因斯坦在1905年发表的狭义相对论,其中有个补充的质能方程推导过程,当然我们并不关心它是怎么推导出来的,而是这个公式:
E=MC?
不过千万别以为爱因斯坦就搞定了太阳发光原理,其实还远着呢,爱因斯坦对太阳发光是两眼一抹黑,啥都不懂,不过他搞清楚了光电效应原理,还因此获得了诺贝尔奖,这是题外话,我们暂且不表!
另一个标志性事件是爱丁顿在好朋友的鼓励下,提出了太阳可能是通过轻核聚变的方式获得能量,其原理是聚变过程中亏损的质量产生了能量,而当时早已通过光谱分析出了太阳上存在大量的氢元素!
不过当时有一个悬案,因为太阳上的氢是同位素氕,这个氕聚变可不是那么简单的事情,因为科学家计算发现,太阳内核坍缩的温度不足以让氕聚变,然而科学家都看着太阳发光傻眼了,理论不行,太阳却在发光,这脸打得啪啪响!
不过这事情后来终于被伽莫夫搞定了,因为他推导出了氕聚变的需要的量子隧穿效应的量子力学公式,解决了困扰科学家十几年的问题。再后来汉斯贝特搞出了质子-质子链反应过程,至此太阳的发光原理彻底搞清楚了!
太阳亏损的质量
太阳每秒产生大约3.78x10^26J的能量,根据质能方程可以计算出大约需要420万吨的质量亏损才能产生如此庞大的能量,那么根据聚变的质量亏损比例,可以计算出太阳内核每秒大约有6亿吨氢转换成5.968亿吨的氦!
所以说,太阳每一秒都会轻400万吨质量,其实也没毛病,毕竟误差不大,在5%范围内!
太阳每秒损失400万吨质量,未来地球会越来越远吗?
太阳时时刻刻都在丢失质量,50亿年来的丢失的质量绝对是个天文数字,未来会太阳会渐渐消失不见吗?那实在是太可怕了,天空中太阳消失不见了?
其实这完全是个错误理解,因为氢聚变成氦的质量亏损大约是0.7%,因此即使太阳有一天氢燃料耗尽,那么还有99.3%的质量,准确的说,这是太阳整个生命周期内,现在过了一半,那么比这个数字还要高一些,大部分概略计算时,我们都将这个影响极小的数字给忽略!
简单理解就是,太阳减少0.7%的质量对地球轨道影响极小,换算到每年,大约是多少呢?1.5厘米,对于日地距离平均1.5亿千米来说,大约是0.00000000001%,要不要忽略?
不过仅仅只计算太阳核聚变质量亏算是不够的,太阳还在向宇宙空间发射太阳风,这是太阳辐射压驱动的大量氢原子核和氦原子核,但这种损失比例就更低了,所以由此造成的质量减少更是有限。
2011年03月18日,“信使”号水星探测器也发现,日心引力常数(引力常数与太阳质量的乘积)在以每年 (6.13 ± 1.47) x 10^-14 的速度减小,这甚至比理论值还小一些!所以我们大可不必为地球跑丢担心!
地球是变冷还是变热?
太阳即使烧光了燃料质量变化也不大,所以我们不必担心地球变冷变热的问题,毕竟那是我们人类自己瞎折腾弄出来的全球气候变暖问题!但从天文尺度意义上来说,地球的未来却是一个比较悲伤的问题!
因为在未来,太阳会因为内核氦元素堆积达到氦聚变的规模后爆发氦闪,然后还会因为壳层燃烧而膨胀,前者会在短时间内给太阳系内的行星输送大量高温恒星物质,后者会直径增加给行星更多辐射,结果就是温度行星温度飙升,火星轨道范围内的行星都不再适合生存,木星和土星的卫星反而由于温升变得宜居!
整体上未来是变热的,等红巨星末段,太阳膨胀的地球轨道附近,到那会地球就成火海了,但到最后太阳会因为对壳层失去控制,这些壳层物质会逐渐扩散,变成行星状星云,而中心则留下一颗白矮星,到那会地球又会比现在的冥王星还冷!
不过无论哪个结果,对人类纪元而言,都还久远得很!