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太阳是怎样变成一颗钻石的?

2020-03-02  本文已影响0人  TMS天文科普

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距今约五十亿年前,在宇宙空间中的一处,分布着一团松散的物质,这团物质,便孕育着我们今天的太阳。其中,有不足1%的尘埃,约10%的氦气,和约90%的氢气。虽然这些物质的分布密度不大,每立方千米只有10-8~10-4(是地球上水密度的十万亿分之一)。但和宇宙别处的真空比起来,这样的密度,也不算小了。

如今的夜空中,也是能够看到这种天体的,不过因为其亮度过低,只有在远离城镇灯光的地方才能隐约看到。因为松散的结构如同天空中的云朵,在夜空中看起来又像一朵小云,所以这样的天体,便被人们称为星云。

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我们的太阳,就是从这星云诞生的。星云的松散结构并不会一直保持,如果星云的质量足够大,便会因为万有引力而收缩。在这收缩的过程中,星云内部的压力越来越大,温度也随之升高。在温度和压力到达一定程度后,这团氢气就被“点燃”了。

这种“点燃”与我们烧烤前的准备步骤不同,烧碳的过程是碳与氧气发生反应,产生二氧化碳。氧和碳元素依旧存在,只是元素组合在一起,产生了新的物质。而星云中的“燃烧”,却会导致元素的变化,称为“核反应”。

上图是大家在上中学时要求背的元素周期表,为了照顾一些中学毕业就把化学知识忘得一干二净的读者,还有一些没有学到化学至少的同学们(笔者Jor几乎属于前者了),这里还是放出这张图,给大家解释一下。

排在表中第一位的,是氢元素,第二位的是氦元素,这两种元素构成的氢气和氦气,就是,星云的主要成分。决定元素在周期表中排序的,就是元素原子核中的“质子”数量,氢原子的中的质子数是1个,也就排在了周期表的第一位。第二位的氦元素质子数是2,以此类推。

如果含有一个质子的氢原子与另一个氢原子结合在一起,它们就会变成一个质子数为2的氦原子,这就是我们刚刚提到的核反应。不过这种反应的发生条件却不简单,需要极高的温度和压力。而收缩的星云中央,正好是一个可以达到这种条件的地方。因此,收缩的星云中,便是有可能发生氢原子结合成氦原子的核反应,因为是两个氢原子聚合变成氦原子,这被称为“氢聚变”。

五十亿年前的那片星云,就发生了上面的过程。而氢聚变反应发生后,会放出巨大的能量,这些能量以光和热的形式散发出来。最终看起来,这星云会成为一个发光发热的大火球,这便形成了我们所见的太阳。除此之外,核反应发生的能量还会形成一股力,阻止着这大火球继续收缩。

这氢聚变的反应会持续上百亿年,如今五十亿年过去,太阳的氢聚变依然在有条不紊地进行着。而再过了五十亿年后,太阳内部的氦就会积累到一个程度,到那时,氦的聚变就发生了。

氦聚变与氢聚变略有所不同,前者比后者多一个原子参加抱团,所以发生的反应不是两个氦原子聚变成一个铍原子,而是三个氦原子聚变成一个碳原子。

铍的质子数是4,碳的质子数是6

氦聚变的过程比起氢聚变要剧烈许多,同时也会快许多。比起前者百亿年的过程,后者快的就像一闪而过,故被称为“氦闪”。虽然如此,这一闪,也要一百万年。而且因为反应剧烈的缘故,产生的力不仅可以防止太阳继续收缩,还能让太阳膨胀许多。这一膨胀,导致太阳将离之最近的水星、金星吞噬,还甚至能差一点吞噬地球!如此膨胀的太阳,被称为红巨星。

附上一张前几篇文章用过的图

到那个时候,太阳表面会接近地球,地球表面的温度会达到惊人的数百摄氏度!强劲的太阳风吹来,会将月球公转的速度减慢,月球会被地心引力吸引,砸向地球。小说《流浪地球》以及就其改编的同名电影,讲述的便是氦闪提前到来之时,人类给地球装上发动机逃跑的故事。不过根据现在的权威预测,氦闪提前到来这一事情不会发生。对于五十亿年后到灾难,大家大可不必担心自己的安危,到时候,也许人类早搬家了呢。(在这里强烈推荐大家去看《流浪地球》原著以及作者刘慈欣的其他作品)。

氦闪过后,太阳中的主要成分就变成了碳。在地球上,碳元素也许会以煤球的形式存在,但在高温高压的环境下,碳元素会以金刚石,也就是钻石的形式存在。地球上的金刚石,就是在岩浆中诞生的。在太阳上到处都是这样的环境,金刚石也就容易形成了。

氢聚变和氦闪产生的能量,并不是无中生有。核反应的能量,是太阳质量转化来的,这里面遵从的理论,便是爱因斯坦那著名的的质能方程式。

在这般的质量亏损下,太阳的引力已经不足产生足够的压力,纵使有高温的环境,却没有足够的压力造成下一步的碳聚变。太阳的一生,走到这碳元素就是终点。太阳只能随着一直收缩,最后变成了一颗发着淡淡白光的白矮星。虽然不能再产生能量,但那表面依然滚烫,只有淡淡的白光,证明着它之前的辉煌。不过它完全冷却下来,就会成为一颗黑矮星,黑矮星本身,便是一颗大钻石了。这个过程需要的时间,却又是一个一百亿年。因此,在这寿命仅有137亿年的宇宙中,白矮星的数量倒是不少,但黑矮星却还没有来得及成型,如果大家有寻宝的想法可还得有点耐心。

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