太阳为什么一直燃烧？
太阳能源来自太阳内部的热核聚变.确实,太阳的能源不在其表面,而在它的核心部分.太阳中心的温度高达1500万摄氏度,压力又十分巨大.在这高温、高压条件下,物质的原子结构遭到了破坏,结果是氢原子核有可能通过一些原子反应结合成氦原子核.每4个氢原子核结合成1个氦原子核,同时释放的能量要比原来大100万倍以上.后来,科学家们又发现,太阳上氢的含量极为丰富,足可以进行100亿年以上的热核反应而不会停止.因此,太阳内部的热核聚变是太阳发光发热的真正原因.正是有了太阳的光,地球才会如此生机勃勃.
太阳源源不断地以电磁波的形式向宇宙空间放射能量。这种能量是由四个氢原子核在高温高压的条件下聚变成一个氦原子核而释放出来的。我们知道，一个氢原子核的原子量是1.00728，一个氦原子核的原子量是4.0015，4个氢原子核的质量应为4.0292。当4个氢原子核聚变成1个氦核时，就要亏损0.0276个单位的质量，其中，1克氢核聚变成氦核时要亏损0.0069克的质量。这就是说，太阳能的产生是以消耗质量为代价的，而且这些质量转化成太阳辐射就不再属于太阳了。太阳每秒钟要损失大约400万吨的质量，对于巨大的太阳质量来说简直太微不足道了。从太阳诞生到目前的50亿年中，太阳仅消耗了0.03%的质量，即使再过50亿年也仅消耗太阳质量的0.06%。可问题是，太阳质量再大，总还是有限的，到底太阳的寿命还能维持多长时间呢?对地球又有什么影响呢?
太阳的一生是从星云开始的，最后一直到红巨星、白矮星，成为太阳的死骸，这一过程大约要经过100亿年，也就是说再过50亿年将是太阳的死期，而我们人类生活的地球将在太阳变成膨胀的红巨星时被其吞掉。如果我们人类能生存到那个时代的话，就只能飞到其他星球上去生活了。
太阳在晚年将成为红巨星
太阳在晚年时,将己经耗尽核心区域的氢,这时太阳的核心区域都是温度较低的氦,周围包著的一层正在进行氢融合反应,再外围便是太阳的一般物质.氢融合反应产生的光和热,正好和收缩的重力相同.核心区域的氦由於温度较低,而氦的密度又比氢大,所以重力大於热膨胀力而开始收缩,核心区域收缩产生的热散布到外层,加上外层氢融合反应产生的热,使得太阳外部慢慢膨胀,半径增大到吞没水星的范围.
随著太阳的膨胀,其发光散热的表面积也随之增加,表面积扩大后,单位面积所散发的热相对减少,所以太阳一边膨胀,表面温度也随之降到摄氏三千度,在发生的电磁辐射中,以红光最强,所以将呈现一个火红的大太阳,称为”红巨星”.
在红巨星时期的太阳不稳定,外层大气受到扰动会造成膨胀,收缩的脉动效应,而且脉动的周期和体积大小关.想想果冻的情形,轻拍一下果冻,它便会晃动,而且果冻越大,晃动的程度越小.同样的道理,红巨星的体积越大,膨胀,收缩的周期也越长.
简单来说,五十亿年后,太阳核心区域收缩的热将导致外部膨胀,变成一颗红巨星.充满氦的核心区域则持续收缩,温度也随之增加.当核心区域的温度升至一亿度时,开始发生氦融合反应,三个氦经过一连串的核反应后融合成为一个碳,放出比氢融合反应更巨量的光和热,使太阳外层急速膨胀,连地球也吞没了,成为一个体积超大的红色超巨星.
太阳的末路:白矮星
相似的过程是在红色超巨星的核心区域再次发生,碳累积越来越多,碳的密度比氦大,相对的收缩的重力也更大,史的碳构成的核心区域收缩下去.但是当此区域收缩到非常紧密结实的程度,也就是碳原子核周围所有的电子都挤在一起,挤到不能再挤时,这种紧密的压力挡住了重力收缩.虽然此时的温度比摄氏一亿度高很多,但是还没有高到可以产生碳融合反应的地步.因此,太阳核心区域不再收缩,但也没有多余的热使外层膨胀,就如此僵持著,形成了白矮星.由於白矮星的核心没有核融合反应来供给光与热,整个星球越来越暗,逐渐黯淡下去,最后变成一颗不发光的死寂星球----黑矮星.经过理论上的计算,白矮星慢慢冷却变成黑矮星的过程非常漫长,超过一百多亿年,而银河系的形成至今不过一百多亿年,因此天文学家认为银河系还没有老到可以形成黑矮星.
经过计算,太阳体积缩小一百万倍,约像地球一样大时,物质间拥挤的的程度才足以抗拒重力收缩.想想,质量与太阳相当,体积却只有地球大小,很容易算出白矮星的密度比水重一百万倍,也就是说一一方公分的物质约有一公吨重,是非常特别的物质状态,物理学家称为简并状态.原子是由原子核和电子构成.一般人都看过电子围绕原子核的图画或动画,虽然是简化的示意图,却也反映了微小的物质状态.通常电子都在距离原子核很远的地方绕转著,如果温度逐渐降低,或是外力逐渐增加,则电子的活动范围便被押挤而越来越小,逐渐靠近原子核.但是电子与原子核之间的距离有其最小范围,电子不能越过这道界线.就像围绕在玻璃珠周围的沙粒一样,沙粒最多依附在玻璃珠表面,而无法压入玻璃珠中.
同样的,当所有的电子都被迫压挤再原子的表层时,物质状态达到了一个临界,即使在增加压力,也无法将电子往内压挤.这种由电子处於最内层而产生的抗压力称为电子简并压力.依据理论推算,质量小於一点四个太阳质量的星球重力,不足以压垮电子简并压力,因此白矮星的质量不能比一点四个太阳质量更大.到目前为止,所发现的白矮星数量超过数百个,也都符合这个理论.这个上限首先是由一个印度天文学家钱德拉沙哈(Subrahmanyan Chandrasekhar 1910-1995)在1931年利用量子力学所求出来的,因此称为钱式极限(Chandrasekhar’s limit).
当钱德沙哈拉当年提出的这种由电子简并压力挡住重力收缩的星球时,并没有得到赞扬,再英国皇家天文学会在一九三五年所举办的研讨会中,更受到当代大师爱丁顿(Authur Eddington)爵士打压,认为宇宙中并没有这种天体.德拉沙哈受到这个打击后,没有办法在即刊上发表论文,因此他写了一本书<<恒星的结构与演化>>,后来成为这个领域中的经典之作.为什_要称之为白矮星呢?这是因为第一哥确定的白矮星是天狼星的伴星,颜色属高温的青白色,但是体积如此小,因此称之为白矮星,但是后来陆续发现许多同类的恒星,星光颜色属於温度较低的黄色橙色,但是仍然称它们为白矮星.白矮星因此成为一个专有名词,专指这类由电子简并压力挡住重力收缩的星球.
