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持续138亿年的核聚变,地老天荒!解密恒星长寿的核心原因

2020/6/24 10:57:15 来源:科学剃刀 浏览:

圣经中记载了一位名叫玛士撒拉的族长,据说他死于969岁,是《圣经》中提到的最长寿的人。

有趣的是,一颗编号HD 140283的一颗恒星,其观测年龄和目前宇宙的年龄相当(0.7个太阳质量,半径为太阳的2倍),也被戏剧性的命名为玛士撒拉星。这是一颗位于天秤座中贫金属亚星,距离地球200光年,诞生于宇宙大爆炸后久。

恒星的年龄通常在10亿到100亿年之间,通常越大的烧得越快,反之则越慢,当然这也不是绝对的,具体取决于恒星核心内等离子体的密度。

根据资料,我们的太阳中的氢全部烧完大约需要100亿年的时间,是相当稳定的一颗,目前已经烧了46亿年,它还可以再烧50亿年,这种稳定核反应的持续时间远超人类。

有人提出:恒星为什么这么长寿?太阳既然是核聚变反应,为什么不像氢弹一样瞬间炸完,而是持续不断地聚变反应?


这个问题看似简单,因为太阳每天都挂在那里,天经地义万物之源,但实际上太阳的聚变充满人类至今无法触及的高科技,别跟我说什么人造小太阳,我们连太阳的模仿者都算不上,且听我给你慢慢道来!


聚变持续时间人工核聚变难以企及

氢弹是一种以聚变能为主要输出的武器,人类制造它的目的就是让它在最短的时间释放最大的能量

氢弹按高爆、裂变、聚变的大概顺序完成整个操作,大家看看上面的这张图就大概明白了,这里不再赘述。



即使是人类科学家目前孜孜不倦追求的人工可控核聚变,其聚变时间也是以秒,甚至毫秒计算的,对高温等离子的控制如同针尖上起舞。

太阳的聚变更像是熬汤


看看这张图是太阳核反应的详细步骤,是不是有点晕?简要的说一下,四个红箭头代表四条分支,从图你可以看出太阳的聚变反应不是一蹴而就的,经过了好几步,就像游戏做任务一样,有主线(PP1)有支线(PP2、PP3、HEP)。整个过程被称作P-P链反应(质子-质子链反应),注意不是链式反应,而是链反应(慢慢地来),这是有区别的。

为什么说太阳是在熬汤呢?因为经过了一系列不同的聚变和裂变反应,太阳从普普通通的氢中(还是同位素,就是氢)产生了氘、氦3、氦4、锂7、铍7、硼8、正电子、伽马射线、中微子等各种成份。除了PP链反应物,还会产生氧、氖、铁等,真的是好一锅。


为啥这么能烧?(稍微硬核一点)

“球大”“料多”我就不说了,这是秃子头上明摆的原因)

核心原因1:用最难聚变的氢做燃料

氢作为宇宙中含量最丰富的元素,在太阳中占了73.46%,这是太阳聚变的主要原始材料。

但作为人类来说,把氢作为核聚变的燃料是几乎不可能的事。

反应截面极小。氢核作为最小的原子核,仅含有1个质子,早期的研究发现双氢聚变几乎是不可能的,因为氢原子核的聚变反应截面极小,为了增加碰撞概率和质子的动量,反应需要极高的温度,而太阳核心的温度仅为1500万度左右,远远达不到理论预测值。


怎么办呢,太阳有办法,穿越!对,太阳是个玩穿越的高手,依靠量子隧穿效应,质子可以以低于克服库仑势垒所需的动量与另一个质子结合。

不过发生隧穿的质子概率小,而氢氢聚变是PP链反应中的最重要一步,因为参与聚变的质子少,加之双氢的结合能居然是负的(聚变不释放能量,反而吸收1.25兆电子伏特能量),所以太阳核心的发热功率意想不到的低,仅为276.5W/m3,这个功率大致与爬行动物的发热量相当。


核心原因2:弱核力参与聚变

双质子聚变的问题解决了,但1个困难解决,另一个又来了,即使双氢聚变了,变为氦2,也就是具有2个质子的原子核 ,但其核是极不稳定的,会有几乎99.99%的概率立即(远小于1纳秒)重新分开变为2个质子(好不容易凑一块,你看这。。。。。),那不白搞了吗。


别急!太阳还有办法,找帮手,通过弱核力携带者W正负和Z0玻色子,采用电子俘获的形式,双氢中的一个质子经过β+衰变,变成了1个中子,并释放1个正电子和1个中微子(W正粒子衰变),原子核也从氦2变为较为稳定的氘核。搞定!

1个质子与1个中子的氘核就相对稳定了,同时反应截面也大大增加了,换句话说好烧多了,基本上太阳中的氘核等上个4秒就可以继续变身了。

但也正因为要依靠弱核力的参与,双质子中发生β+衰变的概率<0.01%,平均每1个质子(氢原子核)也要等上90亿年才能与1个质子成功结合成氘(或者说,90亿个质子当中每年仅有1个发生聚变),进一步降低了整个PP链反应的速度。

好在太阳拥有高达8.9*10的56次方个质子,所以总体上还过得去。


核心原因3:完全自组织等离子体构型、完美的动态平衡


太阳是一个完全依靠自身引力聚集在一起的完美等离子体构形,相比之下,地球上科学家们正在进行的人工核聚变,需要通过各种复杂的磁场去约束。

太阳的核反应主要发生于其核心开始至半径20%-25%范围内,这样就形成了一个自身引力塌缩与核心处聚变反应热量动能的动态平衡中,这种平衡具体自我校正的能力,通俗点讲,外部压狠了,核心就烧的狠一点去对抗引力,反之则烧的缓一点。


好了,关于恒星长寿的秘密就讲到这了,在此,我们不得不感叹大自然的大道至简,太阳只用最原始的氢,就在自己制造的熔炉中锻造出生命及万物所需要的近乎所有元素,好似地球上的大海,与小池塘相比都是水,但却时而宁静、时而汹涌、孕育了我们地球上50%-80%的生命。


最后,你不关注一下“科学剃刀”?有疑问欢迎留言探讨交流。

看看网友怎么说

每一天的天天:有两个方向的力

LinYB:太阳就像太白金星的炼丹炉,炼出各种铁以下的元素。

愤然骷髅:所以说:魔鬼藏在细节里!一般人张口就来太阳的能量是以氢为燃料的核聚变,但是何曾想过这个过程如此复杂?

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