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50億年后太陽變紅巨星,體積增大8000萬倍,恒星為什麼越燒越大?
2024/04/03

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太陽和八大行星大小比較

太陽是一顆恒星。它是太陽系內最大的天體。太陽的質量是地球的33萬倍,體積是地球的130萬倍。如果我們把太陽看做是一個大西瓜,那麼在太陽面前的地球就如同一粒芝麻那樣大小。

不過科學家研究認為,未來的太陽會變得更大。大約50億年后太陽就變老了。進入老年期的太陽會變成一顆紅巨星,半徑會增加到現在的200倍,體積會增大到現在的8000萬倍。太陽表面會延伸到地球軌道附近。水星和金星會被膨脹的太陽吞噬掉。地球可能會幸免于難,但也會在太陽的烘烤下變為一片焦土。

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紅巨星太陽和烤焦的地球

有的朋友很困惑:太陽為什麼會變成一顆紅巨星呢?一塊煤越燒越小,為什麼恒星會越燒越大呢?為了搞清楚這個問題,我們就得從恒星的誕生開始,捋一捋恒星波瀾壯闊的一生。

獵戶座大星云

這片美麗的星云就是著名的獵戶座大星云,距離我們大約1270光年。它是宇宙中恒星誕生的搖籃。這些彌漫在宇宙中的星云富含氫元素。當這些星云氣體塵埃在某種引力的擾動下獲得了足夠大的質量,它們就會在自身的引力作用下開始坍縮并形成原恒星。我們的太陽就于46億年前誕生于這樣的一片星云之中。

原恒星像是「胎兒」階段的恒星。這個階段的恒星還沒有足夠高的溫度來觸發核聚變,但它們可以通過引力坍縮產生的能量發出光芒。不過,處在「胎兒」

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階段的恒星「脾氣」可不小啊!它們會爆發出劇烈的恒星風,恒星兩極噴射出巨大的噴流,恒星表面也會出現大量的黑子。

原恒星

原恒星在引力的作用下繼續坍縮,當內部的溫度和壓力達到足夠大時,終于觸發了核聚變反應。強烈的核聚變反應產生向外的熱輻射壓力抵消掉了恒星向內的引力作用,原恒星便不再收縮,狀態變得穩定下來。這時候一顆真正的恒星就誕生了。

一顆年輕的恒星誕生后,它便進入到了穩定的主序星階段。在這個階段,恒星內部持續不斷的核聚變反應穩定的向外釋放著能量。穩定的能量釋放使得恒星向外的熱輻射壓力和恒星向內的引力處于相對平衡的狀態,因而這個階段的恒星會保持一個相對穩定的體積大小。

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太陽的內部

我們的太陽會在主序星階段停留大約100億年的時間。現在的太陽已經有46億年了。也就是說大約還有50億年左右的時間太陽就要離開主序星階段了。離開了主序星階段意味著恒星變老了。它便開始朝著紅巨星方向演化了。恒星是如何變成一顆紅巨星的呢?我們就以太陽為例聊一下。

50億年后太陽核心處的氫燃料已經耗盡,只留下了一個氦核。原先相對穩定的狀態因為核心處氫燃料的耗盡而被打破。這時候太陽的引力開始占據上風。在引力的作用下,太陽內部的物質開始向著核心處擠壓。太陽內部的溫度和壓力又驟然上升。位于氦核外層的氫元素又被點燃了。核聚變產生的熱輻射壓力再次推動太陽的外層物質向外膨脹。

然而這個時期的太陽引力已經大不如以前了。由于恒星風的作用,它大約損失了30%的質量。引力的減弱使得太陽在熱輻射壓力的推動下膨脹到驚人的地步。

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恒星內部的兩種力量

在短短的10億年內太陽的半徑會增加到現在的200倍,體積增加到現在的8000萬倍,亮度增加到現在的2000倍。這種膨脹導致了太陽表面溫度降到了4000K以下,它發出了紅色的光芒。太陽變成了一顆紅巨星。

宇宙中的那些質量和太陽相當以及小于8倍太陽質量的恒星在末期都會經歷紅巨星階段。而更大的恒星則會演化為紅超巨星以及藍超巨星。

紅巨星

其實生命后期的太陽并不是一直處于膨脹狀態的。太陽內部的氦核在臨近外層氫聚變的強大壓力下,不斷地被加熱。當溫度達到1億℃時,氦核便被點燃了。氦元素會通過一個叫做三α的過程轉化為碳元素。由于太陽的質量不夠大,無法持續的燃燒核心處的氦元素。因此氦元素只是在很短的時間內開始突然劇烈燃燒。

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這就是所謂的「氦閃」。

恒星的內部

科學家估計,每次氦閃就會將核心處6%的氦元素轉化為碳元素。一旦氦閃發生,太陽的半徑就會收縮。而位于氦核外層的氫聚變反應又推動著太陽外層物質向外膨脹。當再次發生氦閃時,太陽又會再次發生收縮。這時候的太陽進入到了一種膨脹——收縮——膨脹——收縮反復的脈動狀態中。直到核心處的氦元素全部變成了碳氧元素。太陽的生命也就走到了盡頭。

行星狀星云

在短短的數萬年間,太陽把外層物質全部拋射到了星際空間,只留下了一個熾熱的碳氧內核。太陽最終變成了一顆白矮星。

個人觀點,有說的不準確的地方歡迎朋友們指教。關注兔斯基聊科學,我們一起聊一聊有趣的科學話題。

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