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        為太陽“延年益壽”

        2021-04-20 14:17:40
        奇聞怪事 2021年1期
        關(guān)鍵詞:矮星延年益壽核聚變

        遙望整個宇宙,人類是如此的幸運,我們生活的地球可能是唯一存在生命的星球。太陽正值壯年,地球和太陽的距離又恰到好處,才有能夠孕育生命的良好環(huán)境。

        不過,隨著太陽燃料的逐漸減少,它已經(jīng)走過了自己一半的青春歲月。再過50億年,太陽將會結(jié)束自己最后的呼吸,經(jīng)過超新星爆發(fā)后,留下一具尸體——致密的白矮星。

        為了延續(xù)生命,人類必須想出一些辦法來。那么,我們能否將太陽的壽命延長數(shù)十億年甚至上萬億年呢?

        方案一:添加燃料

        太陽主要由氫和氦組成,氫在太陽內(nèi)核的高溫高壓下聚變成氦,并釋放出能量。如果太陽快沒燃料了,那就讓我們再加點吧!太陽系有四顆主要組分為氫的氣體巨行星,也許我們可以把它們?nèi)拥教柪铮?/p>

        實際上,這種想法在延長太陽壽命方面適得其反。雖然把這些氣體行星扔到太陽里會給它提供更多的燃料,但是額外的質(zhì)量會增加太陽內(nèi)部的引力壓力,引力坍縮釋放能量,導(dǎo)致內(nèi)核的溫度更高,燃燒速率更快,其實減短了太陽的壽命。如果我們將所有的氣體行星扔向太陽,它的壽命會縮短約3000萬年。當然,放入太陽的質(zhì)量越多,太陽的壽命就越短。

        方案二:減少燃料

        如果增加質(zhì)量會降低太陽的壽命,那么也許我們可以做相反的事情來延長它的壽命——找到一種方法,吸走太陽里所有的氦和大部分的氫。

        恒星的質(zhì)量越小,壽命越長。紅矮星是宇宙中數(shù)量最豐富的恒星類型,它們的質(zhì)量很小,最大也不超過太陽質(zhì)量的一半,因為核聚變反應(yīng)比較溫和,壽命也相對較長。最小紅矮星的壽命估計超過5萬億歲,是現(xiàn)在宇宙年齡的350多倍。如果我們將太陽質(zhì)量變成一顆紅矮星的質(zhì)量,理論上,它可以存活上萬億年。

        然而,這個解決方案有幾個問題。首先,小太陽的紅外輻射少、光照不強,宜居帶要離太陽近很多,因此,我們需要讓地球更接近太陽。然而,即便是我們能找到這樣做的方法,距離恒星太近的行星很容易被潮汐鎖定,在這個過程中,行星只能用一面向著紅矮星。這種現(xiàn)象可能會使地球的一邊變成焦土荒原,另一邊變成貧瘠的苔原。此外,紅矮星的太陽耀斑非常強烈。由于內(nèi)部核聚變活動比較小,所以它的表面比較冷,導(dǎo)致表面活動性不強,它內(nèi)部產(chǎn)生的熱量不容易到達表面,必須找到突破口才能噴發(fā)出來。在一定的時間尺度上,紅矮星會像火山噴發(fā)一樣,發(fā)生太陽耀斑現(xiàn)象,地球的磁場也不能幫助我們避開毀滅性的打擊。因此,將太陽縮得太小可能不是一個好主意。

        不過,如果我們只提取太陽質(zhì)量的20%,使其剛好處于G型星(質(zhì)量在0.8到1.2個太陽質(zhì)量之間)的下限,就可以避免潮汐鎖定和致命的耀斑問題,同時將太陽的壽命延長6億年。屆時,金星會處于太陽系的宜居帶,地球的生命需要轉(zhuǎn)移到那里。然而,僅僅延長太陽6億年的生命,也許還不值得我們?nèi)绱舜筚M周折。

        方案三:氦變回氫

        在太陽的內(nèi)核里,氫正在不斷地聚變成氦,直到有一天,氫消耗殆盡,太陽幾乎完全由氦組成。既然我們不能增加質(zhì)量,也不能減少質(zhì)量,那么如果我們自己來把太陽的氦分裂成氫,讓它無限期地存活下去呢?

        太陽核心的聚變是由質(zhì)子-質(zhì)子鏈控制的,6個氫原子(質(zhì)子)經(jīng)過一系列的步驟,形成一個氦4原子(2個質(zhì)子和2個中子)與兩個“新”的質(zhì)子。如果我們分裂氦4原子,自由的中子會迅速衰變?yōu)橘|(zhì)子和電子,我們就回到了聚變反應(yīng)的起點(即6個質(zhì)子)。如果能找到分裂太陽中心氦4原子的方法,太陽就能一直進行質(zhì)子與質(zhì)子的聚變。

        然而,在相同質(zhì)量的情況下,氫核聚變所產(chǎn)生的能量不夠氦核裂變所需要的能量,這也是太陽中心反應(yīng)不可逆的原因。打破相同質(zhì)量的氦原子核中粒子間的約束所需的能量,比相同質(zhì)量的氫核聚變反應(yīng)釋放的能量高出6%,這意味著:即使我們將氫核聚變產(chǎn)生的所有太陽能用于分裂氦,氦的產(chǎn)生速度還是會稍大于氦分裂的速度,氦還是會繼續(xù)累積。因此,如果該方法能夠?qū)崿F(xiàn),太陽的壽命可以延長大約1萬億年,而不是無限期延續(xù)。

        10億年是很長的一段時間,我們不知道在這樣的時間尺度內(nèi)技術(shù)會進步到哪種程度,或者人類會變成什么模樣,也許我們最終有能力延長太陽的生命。大概只有時間能夠為我們解答一切。不過,為了讓智慧生命和星球文化延續(xù),我們還要繼續(xù)帶著疑問和想象去探索未知。

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