太陽系探索之旅 【天文】太陽真能無限燃燒嗎？它如何影響著我們的生活？

大家好,我是斯文 這期視頻我們來說一個宇宙中最普通 但又最不尋常的恆星 就是太陽 我們的太陽大約形成於46億年前 當時太空中漂浮着一團巨大的分子云 我們現在叫它太陽星雲 太陽星雲大部分都是氫和氦 還有一些塵埃 在自身引力的作用下 太陽星雲開始向內部探索 旋轉速度越來越快 大部分的物質在中心聚集 核心處的壓力和溫度也越來越高 在溫度和壓力達到一定程度的時候 原子核相互碰撞 從而引發了核聚變 就這樣 我們的太陽誕生了 而核聚變反應中釋放出了大量的能量 這些能量主要以光和熱的形式散發出來 這就是太陽發光和發熱的能源 我們現在的太陽 大約處於它生命週期的中間階段 如果它是一個能活100歲的人 那麼它大概現在就是四五十歲這個樣子 中年階段 也是非常穩定的一個階段 它的核聚變會持續將氫轉化成氦 這個過程大約還會持續51年左右 那麼51年之後太陽會變成什麼樣 我們一會兒再說 太陽其實是一顆非常普通的恆星 它只是銀河系大約2000億顆恆星中的一顆 但是對於我們地球來說 它就是生命之源和能量之源 首先我們很容易想到的就是植物的光合作用 植物通過光合作用 可以將太陽能轉化爲化學能 同時產生氧氣 這個過程不僅能夠支撐植物自身的生長 還能給我們整個食物鏈提供能量基礎 還有生物鐘 太陽也影響着我們的生物鐘 專業一點也可以叫晝夜節律或者生物節律 這是我們體內一種內在的時鐘機制 它影響着我們的睡眠 激素分泌 新陳代謝等等多種生理過程 這個週期大約是24小時 跟地球的自轉週期是相匹配的 比如白天的陽光 就可以抑制我們體內褪黑素的分泌 讓我們感到清醒 而到了晚上 黑暗的來臨就會促進褪黑素的分泌 幫助我們進入睡眠 但是我們平常聽到的生物鐘失調 就跟太陽沒什麼關係了 你不能說今天的陽光不對 導致我生物鐘亂了 其實不是這樣的 大部分人感覺自己生物鐘失調 其實多數是因爲生活不規律 或者是經常熬夜工作造成的 長期遺忘就會影響到我們的睡眠 甚至是心理健康和代謝紊亂 所以我們儘量要保持跟太陽光週期 一致的生活規律 這對我們的身心健康是非常重要的 此外像地球上的天氣變化 水循環 大氣循環等等自然過程都與太陽有關 可以說沒有太陽 我們認知中的生命 就不可能在地球上存在 太陽是太陽系唯一的一顆恆星 也是距離地球最近的恆星 說是最近 但是對於人類來說還是太遙遠了 有1.51公里 這個距離也被定義成了天文單位 也就是EAU 1.51公里是個什麼概念呢 光的速度大約是每秒30萬公里 也就是說從太陽發出的光 需要8分20秒才能到地球 所以我們現在在地球上看到的太陽 並不是現在的太陽 而是8分20秒之前的太陽 如果真的有高等文明將太陽摧毀了 對於地球上的我們來說 還可以繼續享受8分20秒的太陽光 纔會發現太陽已經消失了 對於人類來說 地球已經非常大了 500多年前 麥哲倫和他的船隊 花了三年多的時間 才環繞了地球一週 不過相比之下太陽更大 地球的直徑是12700公里 而太陽的直徑是139.2萬公里 大約是地球直徑的109倍 體積是地球的130萬倍 也就是說如果太陽是空心的話 它可以裝下130萬個地球 質量是地球的33萬倍 太陽的質量佔太陽系總質量的99.86% 也就是說當初形成太陽系的 那一大片分子云 幾乎所有的物質都用來形成太陽了 剩下的一些邊角料形成了八大行星 還有其他的矮行星 這些數據已經大到我們無法直觀理解了 我給大家舉個例子 如果把太陽看作成一個西瓜的話 地球就像是一粒芝麻 木星就是一個櫻桃 土星也差不多 是個比木星小一點的櫻桃 然後天王星和海王星 就相當於兩個藍莓 太陽的自轉與地球不同 地球是個岩石星球 是整體旋轉 但是太陽它是一個等離子體 從內到外都沒有固態物質 是一個流動性很強的球體 所以它的自轉屬於差異性自轉 就是緯度不同 自轉速度也不同 太陽赤道附近的自轉速度是最快的 大約25天轉一圈 但是隨着緯度的升高 自轉速度也會變慢 兩極曲大約需要35天 或者更長的時間才能轉一圈 那麼說到這兒可能有人會想到木星 我們上個視頻剛剛說過 木星它是氣態行星 它也幾乎沒有什麼固體物質 那木星的自轉週期 是不是也會隨着緯度的不同而不同呢 沒錯 木星也存在這種情況 就是赤道的自轉速度比兩極的快 但是這個差異沒有太陽那麼明顯 也就相差5分鐘左右 但是太陽足足相差了10天左右 太陽不僅會自轉也會公轉 因爲太陽系本身也處在一個更大的星系中 就是銀河系 太陽系讓銀河系中心公轉一圈 大約需要2.5億年 銀河系中像太陽這樣的恆星 超過2000億顆 能讓這麼多恆星都繞着它旋轉 那銀河系的中心 肯定有一個超大質量的天體 經研究發現 銀河系的中心是一個超大質量的黑洞 黑洞是人類目前發現的 宇宙中質量最大的天體之一 而銀河系中心的這個黑洞 可以拉着如此龐大的星系運動 對於人類來說 它的質量幾乎已經趨近於無窮大了 那麼既然如此 銀河系是不是也在繞着一個 更大的天體旋轉呢 根據目前人類的觀測 還沒有發現 能讓銀河系繞着旋轉的天體 像銀河系這種大型星系 基本上是屬於獨立的存在了 它並不會繞着其他天體公轉 有一個證據就是 仙女座星系正在向銀河系靠近 預計在38億年後 就會和銀河系相撞了 如果它們都在繞着 更大的天體公轉的話 理論上是不會發生碰撞的 太陽的結構 可以用裏三層外三層來形容 裏三層指的是太陽內部的內核 輻射層 對流層 外三層指的是太陽大氣的光球層 色球層和日冕層 我們先來說外三層 太陽並不像地球一樣 有一個堅固的表面 通常它被叫做表面的部分 是光球層 這個名字也很貼切 因爲它是發出最多可見光的一層 我們在地球上看到的太陽 就是從這層發出來的 但是還要提醒大家一句 沒有保護的情況下 千萬不要直視太陽 雖然我們說它是太陽的表面 但其實它是屬於太陽的大氣層 大約是500到600公里厚 溫度高達5500攝氏度 這個溫度要比地球地心的溫度低很多 但是也足以融化鑽石和石墨了 而且可以把它們燒到沸騰 太陽表面這些黑色的 像洞一樣的地方 就是太陽黑子 看上去很小對吧 但是這些太陽黑子的大小 都跟地球差不多大 大一點的 甚至可以容納好幾個地球 它們之所以是黑色 一是因爲它們比其他地方的溫度 要低一些 大約在3000到4500攝氏度之間 二是因爲這塊磁場特別強 強到什麼程度呢 太陽內部的熱量和光 無法從這出來 比太陽表面其他地方的磁場 都要強很多 是地球磁場的數千倍 太陽耀斑是太陽表面 最強烈的一種能量爆發現象 通常都發生在太陽黑子附近 但跟太陽黑子相反的點是什麼呢 太陽黑子很暗 它很亮 這種能量爆發 主要是以光的形式向外釋放 通常幾分鐘內釋放的能量 大約相當於1600億兆噸TNT的能量 這是什麼概念呢 相當於大約107萬億顆 廣導原子彈爆炸的能量 即使我們離太陽很遠 但是太陽耀斑 也會對地球產生很大影響 尤其是地球上的地磁系統 如果太陽耀斑過強的話 就會導致無線電信號中斷 干擾衛星信號等一系列的問題 光球層之上是色球層 色球層比光球層厚很多 大約是2000到3000公里厚 溫度也要比光球層高很多 從底部的6000攝氏度 會逐漸升高到2萬攝氏度 正常情況下 我們是看不到色球層的 但是在日食的時候 當月球遮住太陽中心部分的時候 我們可以看到一個紅色的光圈 這就是色球層 除了太陽黑子和太陽耀斑 太陽表面另外一種明顯的現象 就發生在色球層 就是日耳 它是由氫和氦組成的等離子體 在太陽外邊看的時候 它是這種環形或者弧形的 但是在太陽表面看的話 它是有些暗的絲狀結構 也叫太陽絲 它的溫度要比周圍低很多 但是密度大一些 而且它的長度和寬度都很大 大到可以容納很多個地球 很多人可能會把日耳和日冕搞混 實際上它倆不是一種東西 日耳是太陽表面的一種現象 而日冕是太陽的一層結構 它是太陽大氣層的最外層 是一個溫度極高 而且延伸的非常遠的區域 它的溫度可以達到數百萬攝氏度 是外三層裏溫度最高的一層 比另外兩層溫度要高很多 這個現象被叫做日冕加熱問題 是目前太陽最大的謎團之一 就是太陽的熱源是核心處的核聚變 那麼熱量從內向外傳遞的過程中 溫度應該是低減的 但實際上這個熱量 從光球層的5500攝氏度 傳到了最外層的日冕 卻達到了數百萬攝氏度 這明顯是違背了熱力學定律的 正常情況下 我們的肉眼是看不到日冕的 因爲它的光線 要比光球層的光線弱很多 必須在日全食的時候才能夠看到 日全食的時候 可以看到一個非常刺眼的光環 這就是日冕 日冕也是太陽風的主要來源 太陽風我們之前有說過 是從日冕持續流出的高速粒子流 它裏面的粒子有電子有質子 還有一些其他帶電粒子 影響着整個太陽系 地球和木星的激光 就是由於太陽風引起的 不過木星的激光並不是很依賴太陽風 因爲它還有木爲一 說完了太陽的外三層 我們再來看看它的內三層 太陽持續發光發熱的能量源頭 就是它的內核 太陽的內核大小是地球的1000多倍 跟木星差不多 溫度超過1500萬攝氏度 這裏是唯一可以發生核聚變的地方 氫在這裏會被持續轉化成氦 並且釋放出能量 這個過程叫做質子質子鏈反應 具體反應過程如下 首先兩個氫原子核發生碰撞並融合 會形成一個刀核 也叫重氫原子核 這個過程會同時釋放出一個正電子 和一箇中微子 正電子很快會與一個電子相遇 並淫滅產生能量 刀核會再與一個質子結合 形成氦三原子核 並且釋放出一顆伽馬射線光子 最後兩個氦三原子核相互碰撞 形成一個氦四原子核 並且會釋放出兩個質子 這兩個質子還可以再次參與上述的反應過程 這一系列的核反應釋放出的能量 主要是以伽馬射線和中微子的形式釋放的 而伽馬射線在太陽內部 會經過無數次的吸收和重新輻射 最終以可見光的形式 從太陽表面釋放出來 而中微子幾乎不與物質相互作用 所以它們會以接近光速的移動速度 散佈到整個宇宙中 輻射層在日核外圍一圈 範圍很大 溫度也從核心受到1500萬攝氏度 逐漸降低到了大約200萬攝氏度 我們剛剛說的日核產生的伽馬射線 這是在穿過輻射層時 被重複吸收再發射的 輻射層的密度特別大 光子在向外走的過程中 會被反覆重內向 有點反覆橫跳的感覺 導致這個過程特別緩慢 一個光子想要從內核走到太陽表面 需要將近20萬年左右 我們應該感謝輻射層 如果太陽沒有輻射層 那麼日核釋放的這些伽馬射線 直接釋放出來的話 地球可能也就沒有生命了 對流層是太陽內部的最外層 緊貼着光球層 這一層直接影響了太陽表面的外觀 可能很多人會奇怪 太陽表面還有什麼外觀 不就是火嗎 但其實太陽的表面是成顆粒狀的 這種顆粒狀就是因爲對流層 因爲這層的能量傳輸機制比較特別 它並不是像輻射層那樣向外輻射 而是有點像我們平時看到 燒開水的感覺 底部的熱水會向外沸騰 到了表面冷卻之後又會沉下去 對流層就是這樣 內部的物質被加熱時會開始上升 等到了對流層頂部就會冷卻 便開始下沉 這種反覆的上升和下沉就形成了對流 而這種對流最終就導致了 在光球層形成了太陽顆粒 這些顆粒看上去很小對吧 但是它們的直徑通常都超過1000公里 有些大一點的甚至都跟地球差不多大了 帕克太陽探測器是NASA在2018年發射的 這是人類史上最接近太陽的探測器 在它之前是太陽神二號 太陽神二號最接近太陽時的距離約爲4273萬公里 而帕克探測器最接近太陽時的距離約爲650萬公里 預計在2025年到達比水星要近得多 並且在2021年12月的時候它成功飛越了日緬 成爲了第一個穿越日緬的探測器 它這次的一個主要任務就是研究日緬的溫度 爲何比太陽表面高出那麼多 從這個任務中大家應該也能想象到難度很大 因爲每靠近太陽一些 探測器都要面臨嚴酷的高溫和輻射 所以帕克探測器上也是配備了最先進的熱防護系統 和其他專門的儀器 保護探測器不要受到傷害 關於帕克這個名字其實是來自天文學家尤金·帕克 他在2022年的時候去世了 享年94歲 太陽風的概念就是他首次提出來的 所以這次任務也是對他的一種致敬 和所有恆星一樣 我們的太陽最終也會能量耗盡 當太陽核心的氫全部消耗完以後 核心就會開始收縮 而外層則會向外膨脹 一直會膨脹到變成一顆紅巨星 這個時候的太陽會更大更亮 直徑是現在的256倍左右 水星和金星都會被吞噬掉 地球的命運不太清楚 可能也會被吞噬 不過即使地球沒有被太陽吞噬 地球上的生命也很難活下去了 至於地球以後會怎樣 我們找機會再單獨說 我們再回到太陽 等經過紅巨星階段後 太陽的外層會重新變成一片星雲 而剩下的核心將變成一個白矮星 白矮星的質量跟太陽差不多 但是大小隻有地球那麼大 由此可見白矮星的密度極高 而且剛形成的白矮星溫度還是很高的 可以達到數萬甚至十幾萬攝氏度 不過由於它不會再進行核反應了 所以它會慢慢的冷卻和暗淡 最終成爲黑矮星 這也是一顆恆星演化的最終階段 不過距離太陽變成白矮星還有很久很久 太陽的壽命還不到一半 在變成白矮星之前 它還會再持續燃燒51年左右 不過留給人類的時間可沒有51年那麼長 據推測可能還有11年左右 不過別說11年 即使是1億年 這個時間對於人類來說也是相當漫長的 在座的各位應該都等不到那個時候了 人類目前能做的就是繼續發展太空探索技術 尋找新的宜居星球 這也是應對這類宇宙事件的唯一方法