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史蒂文森218能装下1亿亿个地球,假如地球也有这么大会怎么样?

2024-08-06科学

太阳的体积约为地球的130万倍,于人类来说,太阳堪称巨型天体。但在宇宙诸多恒星里,太阳实则不算大,和已知的最大恒星「史蒂文森 2 - 18」相较,太阳可谓渺小至极。

史蒂文森 2 - 18 乃「红特超巨星」,处于天空中的盾牌座,与我们相距约 2 万光年。据观测数据表明,此星球半径约 15 亿公里,约为太阳半径的 2158 倍,故而,其体积约为太阳的 100 亿倍,是地球的 1.3 亿亿倍。

即便把「球体堆积」问题列入考量,史蒂文森 2 - 18 亦可轻易容纳 1 亿亿个地球。此时,问题浮现:倘若地球如此庞大,那将会如何?

倘若地球果真如此庞大,其表面积将达 2826 亿亿平方公里。若依据当下地球上的人类数量进行计算,那么人均可分得 40 亿平方公里。然而,实际情况是地球的表面积仅为 5.1 亿平方公里,这意味着,平均每人所能分到的面积约为「现实地球」的 8 倍。

通常情况下,我们所搭乘的客机,其飞行时速一般为 900 公里每小时。以此速度,环绕这个「巨型地球」一圈,大约需 1195 年。即便以光速行进,也大概需要 8.73 小时。

诚然,这般「巨型地球」着实令人神往不已,但其仅能存于我们的构想之内,毕竟宇宙中决然不会有如此庞大的岩石行星,即便地球骤然如史蒂文森 2 - 18 般巨大,其亦无法维持稳定状态。

实质上,宇宙中的诸多星球均为大量物质受引力影响凝聚而成的天体。引力一方面使构成星球的物质得以维系,不至于离散,另一方面也致使星球本身存在向内坍缩的趋向。故而,星球内部需有力量来对抗自身引力,不然,星球就会出现引力坍缩现象。

对于岩石行星如地球而言,抵御引力坍缩的力量为物质间的电磁力。然而,天体质量越大,其引力便越强。一旦天体质量达到或超过太阳质量的约 8%,物质间的电磁力便难以抗衡引力。

若缺乏足够强劲的力量予以支撑,天体便会出现引力坍缩现象,其体积会持续缩减,进而致使天体内部的温度与压强急速升高,一旦达到特定程度,部分相对较轻的元素将会产生核聚变。

在宇宙的诸多元素里,氢元素核聚变的条件最为宽松,并且,氢元素的丰度极高,其质量约占可观测宇宙的 73.9%。

故而,当宇宙中的物质借由引力汇聚形成一个质量颇大的天体时,往往会富含大量氢元素,在此种情形下,氢的核聚变便会率先被「触发」。

核聚变所产生的能量会造就一种向外的「辐射压力」,此压力能够抵御由引力导致的坍缩。一旦「辐射压力」与引力实现平衡,天体便会稳固地释放光和热,这类天体实则为宇宙中颇为常见的恒星。

此「巨型地球」的质量显然极大程度地超出了电磁力可支撑的范畴,进而会引发引力坍缩现象。

然而,地球上氢元素的丰度颇为低下,其质量约为地球质量的 0.14%。此般状况的缘由在于地球引力难以对氢气形成有效束缚。这表明,「巨型地球」缺乏足量氢元素用以进行核聚变,那么是否存在其他可发生核聚变的元素呢?我们继续探讨。

据科学家估算,就整个地球而言(需注意是「整个地球」,非地壳),丰度位列前五的元素依次为铁、氧、硅、镁、硫,其质量占地球质量的比例分别约为32.1%、30.1%、15.1%、13.9%、2.9%。

众所周知,铁元素被誉为恒星核聚变的「终点」,缘由在于铁及比铁更重的元素,其核聚变非但不会释放能量,还会吸收能量,故而丰度居首的铁元素无法为「巨型地球」给予抵御引力坍缩的能量。

理论上,轻于铁的元素均可经由核聚变释放能量。然而,地球上多数铁元素本就处于其核心部位。再者,「巨型地球」在引力坍缩时,其自身物质的引力势能会以热能形式释放,致使整个星球迅速进入熔融状态。

在此种情形下,「巨型地球」的物质会产生「重力分异」现象,也就是相对沉重的元素「下潜」,相对轻盈的元素「上浮」。在构成地球的主要元素里,铁元素较为沉重,因而它们会快速「沉降」至星球的核心处。

也就是说,在引力坍缩持续进行的情况下,「巨型地球」中绝大部分的铁将汇聚于其核心部位。

应当明确,当一天体的质量抵达某一极限值时,倘若其核心不存在由核聚变反应形成的「辐射压力」,则任何力量与能量均无法抵御引力坍缩,在此情形下,该天体将坍缩为一个黑洞。此极限值亦被称作「奥本海默极限」,通常认为是太阳质量的 3.2 倍。

太阳质量约为地球的33万倍,史蒂文森2 - 18可容纳1亿亿个地球。地球质量的32.1%为铁。无需精细运算便可明晰,倘若地球如史蒂文森2 - 18般大小,其铁质核心将大幅超越「奥本海默极限」,且因内部不会形成「辐射压力」,该铁质核心势必会无可避免地坍缩为黑洞。

黑洞作为宇宙中引力最为强劲的天体,能够将其周边的一切物质予以吞噬。由此可以想见,当一个黑洞现身于这个「巨型地球」的内部时,该星球外层的物质会被此黑洞完全吞噬,这颗星球终将转变为一个质量极大的黑洞。