书城科普宇宙真相
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第14章 太阳之谜(8)

假设太阳早上6点钟诞生,傍晚6点钟死亡,那么地球在早晨7点诞生;在上午10点有了生命;10时20分,恐龙诞生;10时36分,人类诞生。以太阳的年龄计算,现在我们才活了不到1秒钟。晚上21时30分左右,太阳将会用尽氢燃料,而温度更高的氦会取而代之。此时太阳内部增大的压力将会使内部把外部向外推挤,此时太阳急剧膨胀,成为“红超巨星”。从水星开始,水星、金星、地球、火星将逐个被太阳吞没。但随着太阳体积的增大,内部的空缺,引力会减小。但即使地球可以逃脱烈火末日,其表面也已经是一片狼藉了。由于太阳质量不够大,爆炸后无法成为超新星,最后太阳只能萎缩成只有地球般大小的白矮星。这就是太阳的一生。

太阳是否还有未来

地球上一切活动的能量,几乎都源自太阳。如果没有太阳,那么黑暗、严寒,就会吞噬整个地球,我们美丽的家园也不复存在。而且太阳无比灿烂的光辉,还激发了人类丰富的想象力,以至人们曾将它当作神来崇拜。古代各国的帝王们,更是把太阳看作至高无上、君临天下的象征。

太阳在宇宙中的位置

在浩瀚的宇宙的恒星中,太阳是距离地球最近的,日地距离约为1.5亿千米。太阳的直径地球直径的109倍,约为139.2万千米;太阳质量比地球大33万倍,体积为地球的130万倍。

太阳主要由氢、氦等物质构成(其中氢占73.5%,氦占25%);其他如碳、氮、氧等成分只占太阳物质构成的1.5%。太阳核心的温度高达1500~2000万开,在那里每秒钟就会有6亿多吨的氢聚变为氦。在这个过程中,每4个氢原子会核聚变为1个氦原子核,而每产生1个氦原子,太阳就向外辐射4部分的能量。

在地球上,许多活动都离不开太阳,如煤、石油等矿藏的形成,植物的光合作用,大气循环、海水蒸发、云雨生成等等。10亿年来,地球的温度变化范围很小,这说明太阳的活动基本稳定,也为生命的孕育、演化提供了极好的条件。

太阳上的氢聚变反应到目前已进行了几十亿年,有人担心太阳总有一天会耗尽能量。的确,太阳的能量并非无穷无尽,如果氢不断减少,氦不断产生,那么未来的太阳会变成什么样呢?

太阳未来的演变

天文学家爱丁顿发现:为抗衡万有引力,质量越大的恒星体产生的热量也越多,星体膨胀速度越快;相应地,它留在主星序中的时间也越短。

就太阳来说,和众多恒星一样,它目前正处于主星序阶段。根据计算,在主星序阶段太阳可停留100亿年左右;而目前它处于主星序阶段已46亿年了。质量比太阳大15倍的恒星只能停留1000万年,质量为太阳质量1/5的恒星则能存在10000亿年之久。

当一颗恒星步入老年(即度过它的主序星阶段)时,就会首先变成一颗“红巨星”。之所以称其为“巨星”,是因为它的体积巨大。在这一阶段,恒星体积将膨胀到原来的10亿多倍的程度;称它为“红”巨星,是因为恒星的迅速膨胀使外表面离中心越来越远,从而也使温度降低,发出的光也越来越偏红。尽管温度降低,但红巨星的光度却变得很大,看上去极为明亮。目前人类肉眼看到的亮星中,有许多都是红巨星。

在“主序星”衰变成“红巨星”的过程中,不仅外在的,恒星的内核也发生着巨大的变化:从“氢核”变成了“氦核”。我们知道,恒星的熊熊燃烧是依靠其内部的热核聚变,其结果是每4个氢原子核结合成1个氦原子核,恒星在这个过程中释放出大量原子能并形成辐射压,辐射压与恒星自身收缩的引力相平衡。而当恒星中心区的氢消耗完,形成氦核(由氦构成)之后,在中心区氢聚变的热核反应就无法继续进行了。此时,没有辐射压来平衡引力重压,星体中心区就会被压缩,随之温度也急剧上升。

当恒星中心的氦核球的升温也会使紧贴它的那层氢氦混合气体相应受热,热核反应在达到引发氢聚变的温度后便重新开始。于是,氦核逐渐增大,随之氢燃烧层也向外扩展。氢燃烧层转化中产生的能量可能比主序星时期还要多,但因为外层膨胀后受到的内聚引力减小,星体表面温度会下降而不会升高,但即使温度降低,膨胀压力仍可超过或抗衡引力,此时星体半径和表面积增大的程度超过产能率的增长,因此总光度可能增长,表面温度却将下降。

在氦核外重新引发氢聚变时,质量比太阳大4倍的大恒星核外放出的能量不会明显增加,而半径却增大了好几倍,因此恒星成为红超巨星,表面温度由几万开降到三四千开。进入红巨星阶段时,质量比太阳小4倍的中小恒星表面温度下降,光度也将急剧增加,这是因为它们的外层膨胀消耗的能量较少而产能量较多。

一旦红巨星形成,就会向下一阶段——“白矮星”进发。当外部区域迅速膨胀时,受反作用力氦核将强烈向内收缩,被压缩的物质温度不断升高,最终内核温度将越过l亿度,从而点燃氦聚变。氦核经过几百万年也燃烧殆尽,而恒星外壳的混合物仍是以氢为主。如此,恒星结构比以前复杂了:氢混合物外壳下面有一个氦层,氦层内部还埋有一个碳球。这样,恒星体(红巨星阶段)的核反应过程将会变得更加复杂,中心附近的温度继续上升,最终使碳转变为其他元素。

与此同时的红巨星外部也开始发生不稳定的脉动振荡:恒星半径时大时小,主星序恒星将不再稳定,变成巨大的火球,火球内部的核反应也会忽强忽弱,越来越不稳定。此时,恒星内部核心的密度已增大到每立方厘米10吨左右。可以说,在红巨星内部已经诞生了一颗白矮星。

太阳的未来命运

2004年9月,在曼彻斯特举行的国际天文学联合会大会上,英国曼彻斯特大学和美国国家射电天文台的科学家宣布,他们使用射电望远镜拍到的图像显示了1000光年外的一颗恒星向外喷发气体。这是迄今科学家所拍到的太阳系外恒星活动图像中最精细的。对这批图像进行研究,将使我们对恒星接近死亡时的演化过程认识更加深刻,从而对太阳的未来命运做出预测。

科学家们观测的这颗恒星名位于鹿豹星座,叫TCAM,是一颗年老的“变星”,亮度进行有规律的变化,以88个星期为周期。过去每2周科学家们就会对TCAM进行一次观测,一直持续了88周(即该恒星的一个光变周期),结果获得的图像比哈勃太空望远镜所能拍到的同类图像还要精细500倍。从图像中我们可以看出,恒星表面附近的气体在进行复杂的运动,但现有理论尚不能完全解释所有运动。

一些科学家认为,几十亿年后,太阳会迅速膨胀,“吞噬”掉包括地球在内的太阳系内行星。届时,太阳会剧烈地脉动,成为一颗变星(像TCAM一样)。大量物质在脉动过程中,将被抛入星际空间,太阳会损失掉大部分的质量,剩余部分将坍缩成一颗白矮星。

还有一些科学家认为,虽然目前还不是太清楚恒星的演化过程,但基本可以肯定:太阳在大约50亿年后会成为一颗红巨星。那时,地球上将不复存在任何生命。届时地面温度将比现在高2~3倍,北温带夏季最高温度会接近100℃;而地球上面积巨大的海洋也将消失,被蒸发为荒漠。预计太阳在红巨星阶段大约会持续10亿年左右,不仅光度将升高到今天的好几十倍,体积也将比现在更加庞大。如果从地面角度观察,会发现它已经不满了整个天空。

新知博览——特殊的天体白矮星

作为一种很特殊的天体,白矮星体积小,亮度低,质量大,密度高。天狼星伴星是最早发现的白矮星,其体积比地球大不了多少,但却有着和太阳差不多的质量。也就是说,它的密度为1000万吨/m3左右。根据白矮星的半径和质量,我们可以算出,它的表面重力等于地球表面重力的1000万~10亿倍。任何物体在这样高的压力下都将不复存在,连原子都会被压碎;电子也将脱离原子轨道,从而变成自由电子。

那么白矮星为什么有这样大的密度呢?众所周知,原子是由原子核和电子组成的,原子的绝大部分质量集中在原子核上,而原子核的体积很小。而电子在巨大的压力之下,将摆脱原子核,成为自由电子。

原子核之间的空隙会被这种自由电子气体尽可能地占据,从而在单位空间内所包含的物质大大增加,密度也大大提高。形象地说,此时原子核是“沉浸”在电子的海洋里的,没有了与电子原先的“秩序”和“距离”,一般在科学上,物质的这种状态叫做“简并态”。简并电子气体压力与白矮星强大的重力平衡,一定时间内会维持着白矮星的稳定,可是如果白矮星质量继续增大,由于抵抗不住引力,简并电子气体压力就有可能收缩,白矮星还会坍缩成“中子星”或“黑洞”,变成密度更高的天体。

对单星系统而言,是没有来提供能量的热核反应的,在发出光热的同时白矮星也会以同样的速度冷却。年老的白矮星经过100亿年的漫长岁月,将渐渐停止辐射而死去。而它的躯体将会变成一个巨大晶体——“黑矮星”。它比钻石还硬,在宇宙空间孤零零飘荡。对于多星系统来说,白矮星的演化过程中途有可能发生改变,可能没有我们所说的这么简单,这需要科学家们进行更深入细致地研究。