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【流浪地球小科普】(二)红巨星与氦闪

【流浪地球小科普】(二)红巨星与氦闪

作者: 东门之杨PLUS | 来源:发表于2019-02-26 00:36 被阅读30次

《流浪地球》荡气回肠的剧情设置在这样一个背景下:

在不远的将来,太阳急速老化膨胀,演化成了红巨星,并且会发生氦闪,给地球带来了严重的威胁。

那么红居星和氦闪究竟是什么,为什么会带来如此之大的破坏力,它们在现实世界上是否存在呢?

一颗恒星的演化过程,大致可以分为这样四个过程:

一、诞生期

恒星的演化开始于巨分子云,在巨分子云环绕星系旋转时,一些事件可能造成它的引力坍缩,在这个过程中,巨分子云碎片不断分解为更小的片断,当碎片小于50个太阳质量的时候就会恒星。

恒星周围的气体被引力坍缩所产生的势能所加热,当中心法度达到一千万开氏度时,氢元素开始聚变成氦元素,恒星就开始自行发光了。核心的核聚变会产生足够的能量停止引力坍缩,达到一个静态平衡。恒星从此进入一个相对稳定的阶段。

二、成年期

成年期时形成主序星,此时的恒星颜色和大小都不尽相同。从高热的蓝色到冷却的红色,从0.5到20个太阳质量

恒星的亮度和颜色依赖于其表面温度,而表面温度则依赖于恒星的质量。大质量的恒星需要比较多的能量来抵抗对外壳的引力,燃烧氢的速度也快得多。

一些小而冷的恒星会缓慢地燃烧氢,可能在此序列上停留数千亿年,而大而热的恒星则会在仅仅几百万年之后就离开主星序。像太阳这样的中等恒星会在此序列上停留一百亿年。太阳也位于主星序上,被认为是处于中年期。在恒星燃烧完核心中的氢之后,就会离开主星序。

三、中年期

中年期时形成红巨星和超巨星。

在形成几百万到几千亿年之后,恒星会消耗完核心中的氢元素。大质量的恒星会比小质量的恒星更快消耗完核心的氢。在消耗完核心中的氢之后,核心部分的核反应会停止,而留下一个氦核。

失去了抵抗重力的核反应能量之后,恒星的外壳开始引力坍缩。核心的温度和压力像恒星形成过程中一样升高,但是在一个更高的层次上。一旦核心的温度达到了1亿开氏度,核心就开始进行氦聚变,重新通过核聚变产生能量来抵抗引力坍缩。

积热的核心会造成恒星大幅膨胀,达到在其主星序阶段的数百倍大小,就成为了红巨星。红巨星阶段一般 会持续数百万年,但远不如主序星稳定。

四、衰退期

恒星根据自身质量的不同,晚年到死亡以三种可能的冷态之一为终结:矮星、中子星和黑洞。

实际上,根据科学家们测算,太阳目前的寿命在约在47亿年左右,正处于主序星阶段,变成红巨星至少还需要50亿年之久。太阳变成红巨星后,体积会急速膨胀,吞没掉金星、水星和地球,甚至达到火星轨道附近,这对地球来说无疑是灭顶之灾,因此电影中人类才要带着地球一起在宇宙中流浪,去寻找新的家园。

再来看看什么是氦闪。

氦闪一般是发生在质量介于0.8倍到2倍太阳质量的恒星演化末期,也即是红巨星阶段。

我们知道,太阳内部不停地在进行着氢核聚变,当核心处的氢燃烧殆尽,形成的氦便堆积在了核心处,氦不断积累自我压缩,密度增加到一定程度形成“简并态”(量子力学中的一种状态)。

处于简并态的物质具有这样的特性:其并非靠热压力对抗引力坍缩,而是靠自身产生的简并压(一种量子力学效应)支撑。核心处的氦的自我压缩,导致温度持续升高,但温度升高并不会导致其发生热膨胀,直到热压力再次超过简并压。

同时简并态物质的热传导性非常好,当温度一路飙升至1亿开氏度时,氦就会发生猛烈的热核燃烧,短短几分钟就把核心约6%的氦元素聚变成碳元素。对于太阳质量的恒星来讲,氦闪释放的能量相当于太阳正常燃烧3000万年。

这样突然释放的巨大能量是人类所万万不能承受的,万事万物都将毁于一旦。

不过好在现实中这一幕要等到至少50亿年之后才会发生,人类还有足够的时间。

这次的分享就到这里,下一次我们来聊聊宇宙速度。

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【流浪地球小科普】(一)流浪的行星


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