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太阳的一生

太阳自诞生以来,就进入了一个漫长而相对稳定的演化阶段。它将沿着这一方向走下去,逐渐演变成一颗红巨星,以及再之后的行星状星云和白矮星。

01

太阳的诞生

大约 50 亿年前,一颗超新星的爆发扰动了附近的一片分子云,也可以说,它在某个银河系旋臂中传递了密度波动。这种扰动破坏了分子云团的内部平衡,它在坍缩后产生了包括太阳在内的一些恒星。

分子云,有时被称为恒星摇篮,是极低温气体和尘埃的巨大堆积物。它们体积巨大,质量达到数百万倍太阳质量,而直径可达数百光年。在这些分子云内部,高密度的恒星物质团块开始收缩,最终分裂成几个致密的区域,每个区域都演变成一颗恒星。最终,分子云演化成一个包含数十到数千颗恒星的疏散星团。在很久之前,我们的太阳就是某个星团的一分子,但随着时间的推移,星团中的恒星逐渐漂移开来。天体物理学家正在寻找那些很久以前就消失在浩瀚银河系中的太阳的姊妹恒星。

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引力导向的过程

太阳周围的原行星盘:在这幅图中,原太阳被大量的尘埃和气体包围,这些尘埃和气体随时可以凝结成星子。星子是太阳系中未来的行星及其他天体的种子。

02

“中年”太阳

在太阳的婴儿期,围绕它运动的物质盘逐渐演化为其他天体。而当太阳进入中年时,这个圆盘消失,取而代之的是环绕它旋转的各个行星。

太阳最初的光度比现在要低 30%,根据物理学理论,它的光度应该会随着体积的膨胀而继续增加。虽然太阳不再是一颗年轻的恒星,但它目前还不会由于年老而走向衰退。当衰退过程开始时,太阳将经历剧烈的结构变化,不再像现在那样释放能量。

〇 稳定的生命维持剂

太阳已经稳定存在了很长时间。这对地球上的生命来说是一件非常重要的事。地球已经享受了一段漫长而和平的时期,它提供了令人类等物种得以进化的理想条件。这种稳定状态还将存在几百万年,但平静时期一定不会永远持续下去。

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〇 太阳“波动”

正如地震学家通过研究地球的振动来了解地球内部一样,太阳物理学家和日震学家也可以用同样的方法来了解太阳内部。他们分析可探测的太阳振动或太阳光球层的“波”,然后构建计算机模型(如图所示)。研究发现,这些波的传播速度比声音在空气中的传播速度快 100 倍。

太阳“波动”计算机模型

03

成为红巨星的太阳

当太阳核心的氢燃烧殆尽时,维持其平衡的压力也会随之消失。它的核心将开始收缩,释放出引力能量,而这标志着这颗恒星开始走向生命的终结。

在太阳诞生大约 100 亿年后,它核心中的氢元素将基本耗尽,只剩下太阳内部温度不足以将其点燃的氦元素。如果没有氢聚变来抵抗引力,太阳将向内坍缩。随着密度的增大和温度的升高,它将启动核心周围的氢元素的聚变反应。然后,太阳将膨胀并逐渐冷却,成为一颗红巨星。新一轮的活动使它的氦核受热,一旦核心温度达到 1 亿摄氏度左右,氦聚变将开始并形成碳原子。太阳核心将通过氦聚变继续燃烧约 1 亿年,而外层仍在进行氢聚变,燃烧着氢的外壳会产生一个向外的推力,导致太阳的膨胀。

最后的边疆:体积暴胀的红巨星可以大到吞噬离它较近的轨道行星,就像我们的太阳最终会吞噬水星和金星一样。

〇 宜居带的演化

在太阳周围,可以存在液态水的区域从地球一直延伸到火星,但这个区域不会一成不变。一旦太阳演变为红巨星并吞噬了水星和金星,这个宜居带将迁移至火星和天王星之间。

宜居带所占区域的变化,图中尺度未严格按比例显示。

04

太阳的归宿

太阳的质量决定了它的终点。由于太阳是一颗小质量的主序星,因此当它耗尽燃料时,就会变成一片行星状星云,环绕着最终将变成白矮星的核心。

太阳获取能量的过程包括 4 个质子转变为 1 个氦核的不可逆核反应。在 50 亿年之后,太阳将耗尽它的氢燃料,它的中心区域将只剩下氦。由于质子 - 质子链反应的消失,它的核心开始向内坍缩。在坍缩过程中,核心的温度会再次上升,在温度达到 1 亿摄氏度时,氦聚变被启动并生成碳和氧。一段时间内,太阳将通过这些核聚变获取能量。但当氦核也燃烧殆尽时,由于太阳的质量不足以引发碳聚变,因此它将失去能量的来源。

〇 没有外壳的内核

伴随着氢和氦的两级核聚变,强烈的太阳风将撕裂太阳的外壳,仅仅留下它的碳氧内核。这个内核将变成一颗非常年轻的白矮星,而以往的外壳则变成一片美丽的行星状星云。

〇 生命尽头

太阳的最后一个生命阶段将从它变成一颗红巨星开始,而当它摆脱掉外层,剩下的核心变成一颗亮度微弱的白矮星时,这个阶段便宣告终结。

〇 太阳的压轴秀

当太阳的生命抵达尽头时,它将把大部分气体外壳抛撒到太空中,形成一片闪闪发光的行星状星云。太阳的最后时光,很可能会与蝴蝶星云(NGC 6302)一样壮观绚丽(下图)。

(略有删改)

作者/译者简介

Ignasi Ribas

西班牙空间科学研究所的天体物理学家,也是加泰罗尼亚空间研究所的主任。他还与国际天文学联合会合作,并一直担任其几个部门和科学委员会的主任和成员。

蒋 云

中国科学院紫金山天文台副研究员。研究方向:火星、月球及小行星陨石的岩石矿物学、同位素地球化学及年代学。

陈 维

中国科学院紫金山天文台高级工程师。从事太阳高能物理研究,研究方向:太阳伽马射线、X射线的理论计算、观测分析以及空间探测。

轮值主编:杜福君

编辑:王科超

本文经授权转载自微信公众号:中国科学院紫金山天文台 作者:凤凰传媒苏科社

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院高能所立场

编辑:若平

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posted @ 22-05-01 08:58 作者:admin  阅读:

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