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太阳在过去46亿年里已经燃烧掉多少质量?

 火星科普 2020-04-01

自从太阳诞生到现在的46亿年,太阳一直在“燃烧”,那么,太阳已经被用了多少了呢?

关于太阳被利用了多少这个问题,真是一个非常有趣的问题,而且如果深究细节的话,还是一个非常难回答的问题。下面,通过简单的计算来估算太阳已经消耗了多少。

首先,需要知道太阳的辐射功率,即太阳每秒钟释放出的能量,这个参数也被称之为太阳光度。据估计,太阳的辐射功率大约为3.846×10^26瓦。这个巨大的数字意味着太阳内部存在一个强大的能量源,它需要消耗大量的物质。

此前,人们并不知道太阳是如何发光发热的。直到20世纪初,爱因斯坦从狭义相对论中推导出质能方程之后,人们才逐渐了解这能量源背后的机制——氢核聚变。当较轻的氢原子结合产生较重的氦原子之时,这个过程中会亏损一部分质量,由此释放出巨大的能量。这个过程只会发生在太阳的中心区域,因为只有那里的温度和压力才足以使核聚变反应发生。

在恒星内部,氢原子核会通过两种方式聚变为氦原子核。对于太阳这样的中低质量恒星,氢核聚变的主要机制是质子-质子链反应(另一种机制是碳氮氧循环)。然而,就算是质子-质子链反应也有很多类型。如果忽略这些反应的细节,在质子-质子链反应的整个过程中,就是四个氢原子核(质子)结合形成一个氦原子核。

如果用数学计算,反应物和产物的质量总和将会差别,并非是守恒的。四个氢原子核的质量为6.690×10^-27千克,而一个氦原子核的质量为6.644×10^-27千克,两者之间的质量差为Δm=4.624×10^-29千克。根据质能方程:E=Δmc^2,质量和能量是等价的、可互相转换的,所以核聚变丢失的质量将会转化为能量。把这个质量差代入爱因斯坦方程,就会得到E=4.162×10^-12焦耳的能量,这是每一次质子-质子链反应所释放的能量。

再结合太阳的辐射功率,即每秒释放出的能量,可以计算出太阳内部每秒会进行9.242×10^37次质子-质子链反应。由于每条核聚变反应都会损失相同的质量,那么,两者相乘会得到质量损失的速率,这样算出太阳每秒消耗的质量为4.27×10^9千克,即427万吨。这看起来是一个非常大的数据,但是这当然只是以人类的标准相较而言,如果相对于太阳的总质量2×10^30千克(2000亿亿亿吨)而言,就只是很小的一部分。

上面我们已经计算出太阳每秒消耗的质量,再根据太阳的年龄,就能计算出太阳。太阳形成已经有46亿年,把这个时间乘以质量损失率,就会得到太阳总的质量损失值为6.20×10^26千克。再次强调,这虽然有100个地球的质量那么多,但是也只是太阳总质量的万分之三,即0.03%。

由于上述计算对核聚变反应过程的过度简化,可能会导致低估丢失的质量。为了得到氢到氦的转变,在此之前必须要发生很多其他的反应,这样的反应也会丢失质量,因此产生了能量,这整个过程是不在计算之内的。此外,太阳风还会损失一部分的质量。但总的来说,太阳在过去46亿年里“燃烧”掉的质量只有太阳总质量的很小一部分。按照这样的速率,太阳核心区域中的氢燃料还能再够“燃烧”50亿年。

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