为什么越来越轻的太阳反而越来越热?


在地球上,生命的生存、繁衍和进化已经存在了数十亿年,这都得益于一直给地球提供能量的太阳。由于地球和太阳的距离不远也不近,所以地球拥有合适的温度来孕育生命。

然而,如果太阳明显更冷或更热,地球将会失去宜居性。如果没有合适的太阳能量输入,地球生命将是不可能的。我们的太阳包含了99.86%的太阳系质量,但太阳每天都在变轻。经过足够的时间之后,太阳的变化将会使地球变得不适宜居住。

当太阳系最初形成时,一大块质量通过引力吸引越来越多的物质,形成了一个不断增长的原恒星。然后,在原恒星周围形成了一个原行星盘,其中存在着太阳系未来行星的种子。随后,两种力量之间展开了一场竞争:万有引力——增长原恒星和原行星,辐射——来自外部恒星和年轻太阳的核聚变。

当辐射最终胜出时,太阳和行星就不能再生长了,而继续下落的物质会被吹走,最终形成我们的现代太阳系。

这标志着我们的太阳系达到了最大的质量,这也标志着我们的太阳能量最低。从这一点开始,通过核聚变反应制造能量,太阳的质量只会越来越小,而它所释放的能量只会上升。不过,这是否存在矛盾呢?因为质量越大的恒星,应该是更热更亮才对,究竟哪里有问题呢?

事实上,只有两个互相结合的因素决定了恒星的温度。考虑到恒星的能量来自于较轻元素的核聚变,我们可以列举出恒星释放能量的原因:

(1)恒星的核心温度,因为更高的温度意味着每个粒子的能量更多,当两个粒子碰撞时,发射核聚变的可能性更大。

(2)核聚变区域的大小,因为能够发生核聚变的区域越大,在相同的时间内会导致更多的核聚变反应。

对比两颗不同的恒星,质量越大的恒星就会达到更高的核心温度,并且拥有一个更大的核聚变区域。但如果只单独讨论一颗恒星的情况,结果将会有所不同。

太阳在核聚变过程中,通过把氢聚变成氦,从而获得能量,质子-质子链反应是太阳获得能量的主要方式。由于最终产物(氦-4)的质量比最初的反应物(4个质子)更低,根据爱因斯坦的E=mc^2,减少的质量将会转化成能量。据估计,大约有0.7%的质量转化为能量。

随着核聚变反应的进行,太阳的质量慢慢下降。核心区域产生的能量被传送到表面,而产物氦因为较重会进一步沉入到中心区域。

但在这些温度下,中心的氦无法核聚变,因此在氦富集的区域,每单位体积的核聚变就会减少。如果没有核聚变,辐射就会更少,所以氦富集的区域会在自身重力作用下开始收缩。但是引力收缩会释放出能量,这意味着有很多热量/热能会被转移到外面。

因此,随着氦的富集,太阳的内部温度将会上升,而核聚变可能发生的区域将会向外扩张。总的来说,核聚变的速率和核聚变发生的体积会随时间的流逝而增加。因此,随着年龄的增长,这会导致太阳(以及所有类似太阳的恒星)的能量输出会随之增加。

与此同时,被传送到太阳表面的能量不仅会导致光的发射,还会导致太阳光球层上的一些松散粒子脱离太阳。电子、质子、甚至更重的原子核都能获得足够的动能,从太阳喷射出来,形成一股被称为太阳风的高能粒子流。这些带电粒子会传播到整个太阳系,绝大部分都将会完全脱离太阳系,其中少数最终会撞击到行星的大气层,从而导致我们在地球上看到的极光。

在过去的46亿年里,太阳变得越来越热,但质量也越来越小。随着时间的推移,太阳风大致是恒定的。偶尔会有耀斑和大规模的喷射,但它们几乎不会影响到太阳质量的整体下降速度。类似地,太阳的核聚变能量输出在其历史过程中增加了大约20%,但这也是一个小因素。

根据太阳风和核聚变,我们就能算出太阳每一秒所减少的质量。由此,我们还可以推断出太阳自诞生以来在整个历史中失去了多少质量。

太阳风每秒能带走大约160万吨的质量,即16亿千克/秒。每各1.5亿年的时间,太阳由于太阳风将会失去一个地球质量。因此,到目前为止,太阳风带走了30个地球质量。

然而,太阳从核聚变中失去的质量比这还要多。太阳的能量输出是相对稳定的4×10^26瓦,这意味着它每秒钟会把大约400万吨的质量转化为能量。从核聚变中,太阳每秒钟损失的质量比太阳风高了大约250%。在过去的46亿年里,太阳由于核聚变已经损失了大约95个地球质量,或者相当于土星的质量。

随着时间的推移,太阳失去的质量将会进一步增加,特别是当它在50亿年后进入红巨星阶段时。但即使在这个相对稳定的速率下,氦元素在太阳核心的积聚意味着地球会被加热到更高的温度。在大约10到20亿年之后,太阳将会变得足够热,地球的海洋将完全蒸发掉,地球表面将无法存在液态水。

当太阳变得越来越轻时,它反而会变得越来越热。照这么计算,现在的地球已经已经用了大约四分之三的宜居时间。当太阳继续失去质量时,人类和地球上的所有生命都接近它不可避免的命运。但相信,遥远未来的人类拥有足够强大的科技来面对这些问题。