聖經中記載了一位名叫瑪士撒拉的族長,據説他死於969歲,是《聖經》中提到的最長壽的人。
有趣的是,一顆編號HD 140283的一顆恆星,其觀測年齡和目前宇宙的年齡相當(0.7個太陽質量,半徑為太陽的2倍),也被戲劇性的命名為瑪士撒拉星。這是一顆位於天秤座中貧金屬亞星,距離地球200光年,誕生於宇宙大爆炸後久。
恆星的年齡通常在10億到100億年之間,通常越大的燒得越快,反之則越慢,當然這也不是絕對的,具體取決於恆星核心內等離子體的密度。
根據資料,我們的太陽中的氫全部燒完大約需要100億年的時間,是相當穩定的一顆,目前已經燒了46億年,它還可以再燒50億年,這種穩定核反應的持續時間遠超人類。
有人提出:恆星為什麼這麼長壽?太陽既然是核聚變反應,為什麼不像氫彈一樣瞬間炸完,而是持續不斷地聚變反應?
這個問題看似簡單,因為太陽每天都掛在那裏,天經地義萬物之源,但實際上太陽的聚變充滿人類至今無法觸及的高科技,別跟我説什麼人造小太陽,我們連太陽的模仿者都算不上,且聽我給你慢慢道來!
氫彈是一種以聚變能為主要輸出的武器,人類製造它的目的就是讓它在最短的時間內釋放最大的能量。
氫彈按高爆、裂變、聚變的大概順序完成整個操作,大家看看上面的這張圖就大概明白了,這裏不再贅述。
即使是人類科學家目前孜孜不倦追求的人工可控核聚變,其聚變時間也是以秒,甚至毫秒計算的,對高温等離子的控制如同針尖上起舞。
看看這張圖是太陽核反應的詳細步驟,是不是有點暈?簡要的説一下,四個紅箭頭代表四條分支,從圖你可以看出太陽的聚變反應不是一蹴而就的,經過了好幾步,就像遊戲做任務一樣,有主線(PP1)有支線(PP2、PP3、HEP)。整個過程被稱作P-P鏈反應(質子-質子鏈反應),注意不是鏈式反應,而是鏈反應(慢慢地來),這是有區別的。
為什麼説太陽是在熬湯呢?因為經過了一系列不同的聚變和裂變反應,太陽從普普通通的氫中(還是同位素,就是氫)產生了氘、氦3、氦4、鋰7、鈹7、硼8、正電子、伽馬射線、中微子等各種成份。除了PP鏈反應物,還會產生氧、氖、鐵等,真的是好一鍋。
(“球大”、“料多”我就不説了,這是禿子頭上明擺的原因)
核心原因1:用最難聚變的氫做燃料
氫作為宇宙中含量最豐富的元素,在太陽中佔了73.46%,這是太陽聚變的主要原始材料。
但作為人類來説,把氫作為核聚變的燃料是幾乎不可能的事。
反應截面極小。氫核作為最小的原子核,僅含有1個質子,早期的研究發現雙氫聚變幾乎是不可能的,因為氫原子核的聚變反應截面極小,為了增加碰撞概率和質子的動量,反應需要極高的温度,而太陽核心的温度僅為1500萬度左右,遠遠達不到理論預測值。
怎麼辦呢,太陽有辦法,穿越!對,太陽是個玩穿越的高手,依靠量子隧穿效應,質子可以以低於克服庫侖勢壘所需的動量與另一個質子結合。
不過發生隧穿的質子概率小,而氫氫聚變是PP鏈反應中的最重要一步,因為參與聚變的質子少,加之雙氫的結合能居然是負的(聚變不釋放能量,反而吸收1.25兆電子伏特能量),所以太陽核心的發熱功率意想不到的低,僅為276.5W/m3,這個功率大致與爬行動物的發熱量相當。
核心原因2:弱核力參與聚變
雙質子聚變的問題解決了,但1個困難解決,另一個又來了,即使雙氫聚變了,變為氦2,也就是具有2個質子的原子核 ,但其核是極不穩定的,會有幾乎99.99%的概率立即(遠小於1納秒)重新分開變為2個質子(好不容易湊一塊,你看這。。。。。),那不白搞了嗎。
別急!太陽還有辦法,找幫手,通過弱核力攜帶者W正負和Z0玻色子,採用電子俘獲的形式,雙氫中的一個質子經過β 衰變,變成了1箇中子,並釋放1個正電子和1箇中微子(W正粒子衰變),原子核也從氦2變為較為穩定的氘核。搞定!
1個質子與1箇中子的氘核就相對穩定了,同時反應截面也大大增加了,換句話説好燒多了,基本上太陽中的氘核等上個4秒就可以繼續變身了。
但也正因為要依靠弱核力的參與,雙質子中發生β 衰變的概率<0.01%,平均每1個質子(氫原子核)也要等上90億年才能與1個質子成功結合成氘(或者説,90億個質子當中每年僅有1個發生聚變),進一步降低了整個PP鏈反應的速度。
好在太陽擁有高達8.9*10的56次方個質子,所以總體上還過得去。
核心原因3:完全自組織等離子體構型、完美的動態平衡
太陽是一個完全依靠自身引力聚集在一起的完美等離子體構形,相比之下,地球上科學家們正在進行的人工核聚變,需要通過各種複雜的磁場去約束。
太陽的核反應主要發生於其核心開始至半徑20%-25%範圍內,這樣就形成了一個自身引力塌縮與核心處聚變反應熱量動能的動態平衡中,這種平衡具體自我校正的能力,通俗點講,外部壓狠了,核心就燒的狠一點去對抗引力,反之則燒的緩一點。
好了,關於恆星長壽的秘密就講到這了,在此,我們不得不感嘆大自然的大道至簡,太陽只用最原始的氫,就在自己製造的熔爐中鍛造出生命及萬物所需要的近乎所有元素,好似地球上的大海,與小池塘相比都是水,但卻時而寧靜、時而洶湧、孕育了我們地球上50%-80%的生命。