Question

想象下木星坠入太阳...太空将变成什么样呢？

Answer 1

 

首先感谢你这个有趣的提问。虽然要想象出这个画面很困难，但是大数据可以帮我们填补这个空白。就像天体物理学中的许多其他事情一样，这个问题的答案也是与直觉相反的——明明是给太阳添加燃料，它却不争气地逐渐熄灭。还有另一个将要在讨论中出现的是极端的显著的太阳质量抛射和超明亮。

 

科学数据让我们可以通过计算机技术绘图，展现太阳与木星在太空中的位置关系。相对于太阳来说，木星是一颗直径为太阳的10%、质量为太阳千分之一的行星。难以置信，它竟然会对太阳产生显著的冷却作用，为什么会这样呢？这其实就像落到大象身上的苍蝇一样。那么木星的组成是什么呢?木星的90%是氢，那不就是太阳燃烧的燃料吗?但事实是，如果木星撞向太阳，它会从太阳那里吸收大量的热量。假设我们系统中的气态巨行星缓缓降低到太阳下，已知：

木星的质量= 1.989E27 kg

太阳的质量= 1.989E30 kg

木星的平均温度= 128k

太阳表面温度= 5778 K

 

尽管木星的10%是由氦构成的，为了简化计算，假设它全部是由氢构成的。这实际上是保守的，因为氦的影响比氢更严重。

 

 

影响一：电容冷却。氢从100K到6000K造成的电容冷却影响。

 

太阳表面温度的平均值大约是17k焦耳每千克开尔文，木星撞向太阳时等效于将1,989E27千克的氢加热到温度为17k焦耳每千克开尔文的5778千克氢所需的总热量。

 

计算得出所需的总能量为1.91E35焦耳。

那可是很大的能量啊!注:太阳的总输出为3.85E26瓦。

 

计算得出所需的总时间为15.8年

 

这意味着木星撞入太阳后，它将会变暗，用它的能量加热低温气体，然后持续16年。如果你认为这就已经很糟糕了，那就等着看比这更糟糕15倍的事情吧。

 

影响二：电离影响。太阳不仅仅是一个由氢和氦组成的燃烧的球体，它实际上是完全电离的气体天体。太阳上的每个氢原子都处于电离状态。理论上，电离一个氢原子需要13.6 eV或2.18e - 18j的能量。木星中的气体没有被电离。所以，能量不仅会被用来加热气体，还会进入的氢气“融化”并与在太阳结合之前被电离。事实上，将氦的电离需要更多的能量，保守估计，假设木星的全部质量都是氢。

 

已知：

木星上氢原子的数目= 1.20E54个原子

从木星电离氢所需的能量= 2.61E36焦耳

太阳充分释放能量电离氢的时间= 214.9年

这将使太阳在未来215年都处于黑暗之中。因此，太阳的表面就会变暗。在太阳的核心,所有的融合将继续发生和产生能量,但这些能量将用于维持太阳的温度和电离寒冷的普通物质,在完全黑暗的231年之后,太阳会回到正常。在实际中，可能由于传热和传质的限制，这一过程将随着时间的推移而扩散。太阳将在降低功率，但将是不正常的一段时间。例如，太阳可以在462年里减少50%的能量等等。但无论哪种方式，都将是一场灾难。

 

 

以太阳45亿年的年龄和太阳作为主要系列恒星的预期寿命95亿年来说，这几百年只是沧海一粟，可以忽略不计，但对太阳系，特别是地球上的生命来说，这是一个致命的打击。即使是几十年的黑暗也可能冻结所有的行星，杀死地球上绝大多数甚至所有的生命。唯一的例外可能是靠海底地热生存的生命。

 

影响三：动能。问题中提出的假设场景并没有详细说明导致木星进入太阳的环境。木星现在是绕着太阳转，而不是下落，只要它有大量的动能，它就会继续下落。在行星撞向太阳之前，有些东西要么需要吸收这些能量，要么需要改变行星的轨道。如果能量没有被吸收并被带到太阳中，它将减少吸收能量到太阳中所需要的能量。我们来计算一下能量。

木星的质量= 1.989E27千克

 

木星的平均轨道速度为13.1千米/秒

 

木星的动能= 1.71E35焦耳

 

所以它至少可以提供太阳表面加热气体所需的大部分能量，但在木星完全并入太阳之前，至少还有216.6年的时间太阳是完全黑暗的。

 

最后一个细节。那么木星对太阳燃料供给的贡献呢?这其实是可以忽略的。木星比太阳小1000倍。额外的质量将对增加核心的重力压力有非常小的影响，不会导致更快的燃烧。如果木星有两到三个太阳质量，它会让熔炉烧得更热，但在目前的质量下几乎没有影响。这将使太阳的寿命增加1000万年，但它的燃烧速度却没有变化。不幸的是，我们都将离开!

 

另一个有趣的极端情况是快速下降。假设木星静止在它现在的位置(初速度= 0)，让它自由下落并转向太阳，而不是慢慢下降。在这种假设中，它将把重力势能转化为动能，从而加速向太阳靠近，直到到达太阳表面。换句话说，它仍然从太阳吸收能量，但不会从辐射中吸收能量。让我们计算一下这能提供多少能量。

 

在引力场中，势能(假设在无穷远处为零)等于-GMjMs/d，其中d是木星和太阳之间的距离。总能量就是动能和势能的总和是恒定的。利用d和Rs的太阳表面半径，并结合Vj的公式，木星的轨道速度(13.1 km/s)，可得：

 

从太阳表面逃逸速度是617.3，从木星轨道逃逸速度是18.5千米/秒

 

木星在太阳表面的最终速度= 617.0千米/秒

 

木星在太阳表面的动能= 3.38E38焦耳

这是一个巨大的能量，相当于太阳31000年的产出(根据维克托·托特的数学公式计算得出)。它甚至有可能使太阳看起来正在爆炸，从而导致太阳巨大的日冕物质抛射。这对所有的行星来说都是灾难性的，这个假设还将造成其他有趣的结果。由于木星质量，太阳也会朝木星落下(它们都落在质量中心)。所以在这个过程的最后，太阳移动了大约一百万公里。无论如何，迅速落入太阳将是灾难性的。

 

现在就有了两个极端。一端是多年的黑暗和冰冻，而另一端是超级明亮的太阳，将大量的热物质和巨大的辐射射向太空。正如科幻电影里的巨态星球。不过，这个提问表明，Quora上每天都有新的东西需要学习。

 

 

编辑2：人们对这个话题产生了极大的兴趣，有许多评论和有趣的讨论。我认为在这里存在完全正确的答案。我尽量保证表述简短，不超过Quora的字数限制。欢迎您在评论区阅读完整的评论。

 

评论：木星的下落机制是怎样的呢?什么动力驱动了整个坠落过程的发生?

回答：天文学中涉及行星运动的大部分能量量都是天文量，超出了目前人类科学计算的水平。一个航天器造成自由落体需要把飞船转向轨道180度并打开引擎。如果引爆引擎来抵消前进的动力，飞船会在轨道上瞬间停止然后开始自由落体。显然，对木星来说这是不可能的，因为它体积巨大，而且没有引擎。速度的变化要么是由动量相等但相反的物体的直接碰撞引起的(可能会产生其他影响)，要么是由与一个或多个巨大天体的距离所引起的。也许一颗恒星经过太阳系或在远处绕轨道运行时会吸收木星的轨道能量。飞船的缓慢下降需要将引擎转向太阳，并保证持续燃烧以防止飞船在自由落体中加速。在行星尺度上，如果没有足够的动能将木星拉到太阳表面，那肯定需要第三个或更大质量的天体来发挥作用。我还没有考虑轨道力学，我相信这方面的专家可以通过这些额外的天体在接近但不碰撞的轨道上实现太阳和木星的和平结合，得出一个合理的数学结论。总的来说，注意这些假想练习的目的不仅仅是科幻小说。它也磨练和考验我们的知识，给我们勇气去问如果。

 

评论：如果木星被一些“上帝之手”小心地推向到太阳上，并均匀地将其与太阳混合，它将降低现有质量的温度(5778 - 128)/1000 = 6K。如果木星只是简单地落入太阳(没有上帝之手)动能将从600公里/秒的速度，那对每千克太阳将是1.8亿焦耳，这将提高一点点温度。(由邓肯·凯恩克罗斯及几张类似的便笺提供)

 

回答：太阳是一个具有快速热传导的均匀质量的假设是不正确的。太阳是由许多层组成的。

热传导的过程极其复杂而缓慢。因此，太阳内部的温度非常不均匀，核心温度为1500万度，表面温度为6000度。太阳内部的热传递是曲折的。据估计，在太阳核心产生的光子需要至少10万年到5000万年才能离开太阳。这是10万年中最大的70万公里然后当光子在500秒内离开太阳时它跑了1.5亿公里到达地球。请看这个参考(光子穿过太阳的旅程)。木星慢慢地降落到太阳中，将会迅速地切成小块，并覆盖在太阳的最上层，但是需要很长时间来提供加热和电离它的热量。如果木星撞向太阳，则会发生相反的情况。这里有太多的能量很难把它转移到恒星的所有质量上。因此，它会导致局部极度升温，并极有可能导致太阳的爆炸物质喷射。在地球上可以看到太阳的爆炸。为了得到一个复杂的热传递的模拟案例，考虑航天飞机返回地球的情况。瓦片的外表面温度达到5000千米但在航天飞机内部宇航员几乎不流汗。由于热传导不良，热(或冷)将停留在局部。

 

评论：是否还有第三种非极端的情况，即木星螺旋状缓慢坠落到太阳上，像意大利面一样(术语由Jeffrey Wong提供，idea也由Felix GV提供，Dom Clegg, Ashutosh Pendy提供)

 

回答：绝对有可能，甚至可能比极端情况更有可能。请注意，衰落的螺旋，如果需要很多年，将解决能源问题。木星会被切割成碎片，因为它不断地向太阳风和太阳失去质量，并在穿过太阳日冕时被加热。这就引出了太阳的另一个奇怪特征。日冕远高于太阳表面光球层的温度是2 - 5百万度，而较低的层(太阳表面)只有大约6000 K。无论如何，这种温和而又巨大的手法把电影的乐趣都抹掉了。

评论：为什么说太阳内部大部分是电离的？

 

回答：光球只有部分电离，但它只有100公里深，木星直径14万公里，达到25%的太阳中心，如果完全浸入。光球层以下。太阳的温度迅速上升，使氢分子原子化，10万K以上的氢90%以上电离。这依赖于一个百分比。

 

太阳的粗略温度分布图表明它表层特征是很薄的。

 

其他评论：

 

Guy Caulfield-Kerney：这有点像规模更大的“不要玩火柴”。

 

丹尼尔·斯佩克特:太阳的引力结合能是6.7×10^41，所以太阳不会爆炸。

 

Doğukan Dizman:人类可以在没有太阳的情况下生存，我们需要靠近地热能源输出，在那里我们可以收集氧气雪，融化它为空气，使用特殊的灯来种植植物的电力从地热/化石燃料。

 

弗朗西斯·克劳奇:你什么也不会听到!

 

史蒂文·切特利:感谢上帝，科学家们!我不敢相信我读了每个字，得到了结论。现在让我们一起去看《忧郁症》来振奋一下心情吧。

 

请回复上一条评论:科学加一点虚构。至少我没有在最后杀死布鲁斯·威利斯，就像他们在世界末日电影的结尾那样。哈哈!:-)

 

编辑3：现在是时候进行另一个讨论了，有66个以上的评论和很多有用的笔记和问题。在你和Quora机器人的耐心范围内，我试着总结和回答最常被问到的两个问题。

 

评论：为什么木星分裂成一层薄薄的覆盖在太阳表面，而不是沉入太阳深处，覆盖整个恒星?

 

回答：答案在于木星的组成。任何一个尝试过把沙滩球推到水下或者尽可能快地在泳池里扔篮球的人都知道，球只是打在水面上，并没有深入水中多少。相比之下，向水扔一块石头，让它穿透得很深是很容易的。木星的核心部分是岩石和重元素。它们会迅速下沉到太阳的中心，但剩下的98%是氢和氦(90 H + 8 He)，它们不会下沉，也不会溶解。太阳也是氢，但它是一个不同的阶段。你们已经听说过物质的四种状态固体，液体，气体和等离子体。太阳是第四个。木星就像加在一杯水中的冰。它会浮在上面，直到变成与身体相同的相位(即等离子体)。这将需要大量的能量进行电离，并且需要很长时间才能实现。如果木星以高动能进入地球，那将是另一回事。现在有太多的能量，物质会因撞击而发热，电离和过热，但就像从落在太阳一部分的石头上溅出的水一样，在一切都混合之前会溅出，即使这样，太阳的表面也会在很多年内变得超级明亮。

 

评论：这将事件限制在太阳表面，而忽略了太阳的其他部分。然而，表面温度相对于岩心温度…如果表面冷却，那么热量的流动就会相应增加。

 

回答：这在普通流体中基本成立也就是说在普通单相流体中如果T增加对流换热率就增加。

这是因为在流体中，冷区和热区之间的密度差形成了一种引力驱动的流动，从热区到冷区，并携带热量。不幸的是，太阳不是一种普通的液体。太阳中的液体是一种等离子体。在等离子体中，主要的传质方式是磁铃流动。这是一种奇特的说法，流体是由电磁力而不是重力驱动的。所以推动物质流动的是电磁力比重力强38个数量级。换句话说，在太阳流动的地图上，你可能会看到类似空气和蒸汽的漩涡，在充满蒸汽的房间里，但这就是相似之处。所有这些电流都是由非重力驱动的。这就是为什么你会看到太阳耀斑在太阳的引力作用下发射出几十万英里远。它们可能看起来像火，但不是真正的火焰。重力太弱，不会造成如此巨大的现象。它完全是由电磁驱动的。现在我们知道了气流从何而来，让我们看看它产生的对流。在我的模型中，我说过太阳的对流传热很弱。热传导的问题是，在木星并入太阳表面后，T的增量很大，但对改变驱动磁场的影响很小。产生影响的▽ T是等离子体区域之间的温度梯度，但新合并的木星还没有电离，因此对质量传递(以及热传递)影响不大。

最后一点细节。我们已经提到过很多次了，太阳黑子的存在是一个密切相关的因素。太阳黑子是较冷的区域，在太阳照片中显示为较暗。因为同样的原因，它们的存在并没有立即被从热到冷的对流所消灭。一旦斑点形成，它们就不会引起太多的对流换热，因为传热的介质是等离子体，而等离子体并不知道冷区的存在。在100公里深的太阳表面，只有10%的物质被电离，其余的是氢原子。

 

反正记住，很多关于太阳和木星的事情是反直觉的。

作者: quora