现实中的氦闪是一种罕见的天文现象,目前只停留在理论阶段上

太空生物学 2023-02-15 17:59:35

作者:K²

《流浪地球》之所以要执行时间跨度为2500年,经历100多代人的努力才能完成的“流浪计划”,是因为平时温和提供能量的太阳即将要发生「氦闪」,因此地球才迫不得已要远走他乡去到三体人居住的三恒星系统。

图源:网络|图解:《流浪地球》流浪计划

假如不执行计划的话,那么地球将会受到「氦闪」事件的波及,届时地球上的生命将无一幸免,地球的命运也会迎来两个悲惨的结局:

结局一:地球完全被太阳吞噬,成为太阳的一部分;

结局二:用不着给地球安装推进器,地球就能成为一颗真正的流浪行星;

图源:网络|图解:《流浪地球》中的氦闪

什么是氦闪?

与太阳质量相当的恒星在经历了主序星阶段之后,处于红巨星阶段中的红巨星支状态时,原本的氢核被氦核取代了,氦核四周的氢元素被加热,当氦核的温度达到1亿℃就会发生——核氦闪。

恒星处于红巨星阶段中的水平分支状态时,氦原子通过一系列的聚变反应生成1个碳原子,氦核也会被碳氧核取代,氦元素会全部聚变成碳和氧元素,当温度达到1.1亿℃就会发生——壳氦闪。

图源:网络|图解:核氦闪与壳氦闪

氦闪——恒星跨越上百亿年演化的结果

太阳诞生于分子的引力坍缩,随着恒星核球的温度不断上升,直至氢原子被点燃,氢原子通过聚变生成更重的氦原子,核聚变产生的热压力与引力抗衡着,让太阳处在一个稳定的状态中,这个状态将会维持100亿年。

但是再过50亿年主序星阶段结束,这种平衡就会被打破。

引力和热压力能够在100亿年间维持在平衡的状态中,原因在于恒星内部的有一种自我调节的机制——核聚变反应。

图源:网络|图解:太阳各阶段示意图

当太阳经历了主序星阶段之后就会进入红巨星阶段,核聚变反应的速度就会加速,将会有更多的能量辐射出来,热压力也会因温度的上升而增大,热压力战胜引力占据了主导地位,恒星的体积向外扩张,温度随着体积的增大而下降,核聚变反应的速度也因温度下降而减慢了。

反之,核聚变反应速度下降后,辐射的能量变少了,热压力也随着下降,引力又会占据主导地位。

图源:网络|图解:红巨星阶段的太阳体积会增大至地球位置

引力与热压力的平衡终究会有被打破的一天,就算质量再大的恒星也会有燃料耗尽的那一刻,当氢原子全部聚变成氦原子的时候,在缺乏核聚变供给热压力的情况下,维持了100亿年的平衡将会被引力打破。

引力占据主导地位后迅速将作用发挥到了极致,氦原子被引力极限压缩,密度也达到了致密的状态,最终氦原子变成了量子力学的泡利不相容原理的——简并态。

图源:网络|图解:电子之间挨得很近

简并态的物质在加热的过程中温度会持续上升,当温度上升到1亿℃就会开启热核燃烧,普通物质释放出来的能量的温度是会随着面积的扩张而下降的,但是简并态时的物质释放出来的能量与普通物质释放出来的能量不一样,不会因面积的扩张而降低温度。

恒星内部区域的氦聚变会让内核的温度不断上升,氦聚变反应的速度也加快了,在短短的几分钟之内,内核的氦聚变反应就会完全失控,6%的氦元素会聚变成碳元素,于是无可避免地就发生了——核氦闪。

像太阳这种质量的恒星在氦闪时释放出来的能量会达到5×10⁴¹焦,如此数值的能量足以供应恒星燃烧3100万年。

氦闪——由恒星的质量决定

发生氦闪的恒星质量介于0.8~2倍太阳质量之间,当然这是天文学家还没有统一的数值,上限与下限会存在一定的偏差:

0.8倍太阳质量以下的恒星是不会发生氦闪的,这些小质量恒星的内核不足以点燃氦聚变;

2倍太阳质量以上的恒星尽管也会氦聚变,然而聚变反应是平静且稳定的,也不会发生氦闪,因为这种质量的核心可以直接点燃氦核聚变,因此核心的物质不会被极致压缩和出现简并态。

举例说明:

位于猎户座的参宿四是一颗10倍太阳质量的恒星,目前正处于红巨星阶段,参宿四核心的氦核反应正在平静地聚变碳元素,不会发生氦闪。

参宿四这个案例说明了——恒星是否会发生氦闪,完全取决于恒星的自身质量。

氦闪是猛烈的爆发吗?

闪,这个字给我们的第一感觉是爆发、亮度突然增亮。

氦闪,给人的第一感觉是恒星的光度突然增高、能量突然爆发让恒星发生了闪动。

事实并非如此,氦闪是不会闪动的,尽管核聚变在短时间内释放出巨大的能量,然而恒星是没有任何表现的。

恒星发生氦闪的时候处于红巨星的阶段,体积已经膨胀变大了,由于核氦闪释放出来的能量是在恒星内部,其中一部分的能量都消耗在让核心物质脱离简并态上面,剩余的能量会在恒星的球体半径之中化为恒星的能量。

简单概括:核氦闪,在核心区域是很剧烈的,壳层区域是很平静的。

图源;网络|图解:核氦闪,太阳表面是平静的

K²结语·现实中的氦闪是什么情况?

氦闪只是恒星模型和恒星演化的推导理论,现实中天文学家还没有真正观测和探测到过氦闪,一旦天文学家观测到氦闪,无疑是一个诺贝尔级的发现。

太阳氦闪爆发释放出来的能量是巨大的,但是地球上的生命却不会受到半丝影响,地球上的生命也不会等到氦闪发生的那一天,氦闪前的13亿年以及主序星剩余的50亿年,在这63亿年间太阳以每10亿年增强10%的辐射能量照耀着地球,地球会因温度的上升而变成荒芜之球,不再有任何生命存活。

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太空生物学

简介:创作天文学,物理,化学,地质以及生物学的科普知识。