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核聚變的間歇性,導致了它們和太陽之間的距離在不斷的拉長?

2024-08-08科學

銀河系中有好多跟太陽類似的恒星,它們時不時進行核聚變,時不時損失質素,還時不時在徑向上加速;這些恒星彼此的距離一會兒變短一會兒變長,觀測的時候,還有些恒星的譜線會晃悠。

在銀河系裏,不光雙星的自轉運動會讓譜線出現振蕩,還有一些星體的譜線也會振蕩。起初,有人覺得它們是一對光譜雙星,可實際上呢,它們並非真正的雙星。

雙星繞轉運動會讓譜線振蕩;同樣,銀河系裏有好幾顆恒星,由於核聚變是間歇性的,使得它們跟太陽的距離一直在拉長,這究竟是咋回事呢?

【銀河系許多恒星的核聚變正在間歇地進行】

銀河系中有好多跟太陽差不多的恒星,搞明白太陽的核聚變,也就搞明白這些恒星的核聚變。這篇文章探討了太陽核聚變的機理,主要有下面這幾點:

(一)太陽的核聚變機制咋回事

太陽的能量源於氫氣的核聚變反應,可太陽咋控制核聚變的呢,為啥只有少數氫氣參與核聚變,而不是所有氫氣都參與,這樣才能讓太陽持續燃燒幾十億年甚至上百億年?

那,這種慢慢增長的機制到底是啥呢?太陽咋把核燃料從核反應區給分出來?核融合的區域和沒核融合的區域,分界線是啥?在這邊界外頭,又是啥機制不讓它們融合?這倆問題的根本,就是太陽核聚變的道理。

【1、太陽形成的初期核聚變由連續到不連續】

太陽剛形成那會,體積老大了,中心溫度特高,氣壓也特大,核聚變可激烈了。後來太陽質素越來越小,核聚變的強度也就跟著越來越小,等太陽中心的溫度跟壓力降到臨界值以下的時候,核聚變就不進行了。

太陽核聚變停止以後,它的膨脹就停了,接著開始收縮,中心的溫度和壓力升高,達到核聚變的臨界值,核聚變又重新啟動。此後,太陽核聚變以氫當燃料,產生氦。可因為有氦,核聚變沒法一直進行,氫很快會用光,最後太陽就熄滅了。

【2.太陽H的核聚變是由太陽He控制的】

在太陽處於穩定的狀態(既不膨脹,也不收縮)時,H處在日心,也就是核反應區,從裏往外依次是氦區、氦和混合區,還有大氦區。

在太陽收縮的時候,氦區的密度不停增大,等大到一定程度,日心區的氦區跟外層的氦區就會被氦區給隔開,中心溫度接著就升高,當氦區達到能聚變的溫度了,氦區就開始聚變。

在日心區,核聚變生成氫時,太陽會開始膨脹,等膨脹完了,由於氫的穩定密度比氨大好多,太陽就會跟上次一樣,又收縮起來。

這表明太陽核聚變存在間歇性和周期性的特征,而且太陽肯定會有周期性的振動。太陽核聚變是間歇性的,正因如此,它能存續很久。

(二)太陽的核聚變機制

這麽一看就能知道,在太陽形成跟演化的時候,有從一直進行到偶爾進行的熔合過程。一直進行的階段是太陽形成的開頭和不穩定的時候,偶爾進行的階段是穩定的時候。另外,實際情況也顯示,太陽核聚變是偶爾進行的,為啥呢?因為現在太陽處在穩定期,它輻射的能量很穩,這就意味著太陽核聚變很穩。

要是太陽一直不停地進行熔合,那就沒法穩穩當當地控制熔合了,想讓熔合穩穩當當,就得有間歇。所以,太陽核聚變的原理是:太陽的核聚變是斷斷續續的,處於不停收縮-聚變-膨脹的迴圈;核聚變一開始,就是太陽裏的氦把核燃料和核反應區給隔開了。

【1、 恒星質素損失產生的效果】

恒星會靠著熱核聚變、星風擴散、氣體殼體膨脹還有爆發這些方式,不停地損失質素。

設銀河系裏第 i 顆星的經向量是 r ,這顆星是被銀河質心給指著的。在 dt 這段時間裏,恒星質素從 M 變成了 M + dM ,速度從 V 變成了 V + dV ,恒星受到的重力是 F? ,按照動量定理,能得出:

M 乘以(V 的變化率)等於 Fc 減去 V 乘以(M 的變化率)

其中啊,-V(dM/dt)這一塊兒能當成恒星受到的另外一個「力」,咱用「Fm」這個符號來表示它。

這一等式顯示,星體不光受重力影響;而且,還有一種力是因為恒星質素損失才有的。

【2、恒星質素損失導致恒星加速運動】

在銀河系裏有一顆恒星,它沿著徑向朝外運動,還繞著銀河系的質心自己轉圈。

在旋轉座標系當中,恒星會受到三種力,分別是重力 Fc 、離心力 F 、質素損失力 F 。因為 Fw 在橫向有分力,這就讓恒星繞著銀河系質心旋轉的速度變快,致使離心力變大,所以重力跟離心力沒法相互抵消,而且 F 大於 Fc 。基於此,按照牛頓第二定律,恒星在徑向的運動方程式是:

總的來說,要是一顆恒星丟了質素,就會有一種「力」出現,這就讓恒星加速往外移動了。所以,他們下了個結論,銀河膨脹是因為銀河系裏恒星質素損失導致的。

【銀河系中恒星譜線的擺動】

咱們這會兒就說說質素損失最大的那些恒星,像那種主要靠熱核聚變,可熱核聚變又處於停滯狀態的恒星,太陽就在裏面。

設銀河系裏第 i 個恒星在 t 這個時刻的質素為 M ,視向速度是 Vr ,核聚變間歇周期是 T ,一個間歇時間裏核聚變的時長是 To 。恒星要是有核聚變就會出現質素損失,要是沒有核聚變那基本就不用考慮。從這能知道,恒星沿著半徑方向的運動方程式能夠寫成

從上述公式能瞧出來,要是星體丟了質素,還做徑向加速運動,那就有α>0;所以呢,α=0 的情況是,要是恒星沒丟質素,那它既不會沿徑向加速,也不會沿徑向減速。

由於恒星的核聚變是間歇進行的,其質素損失也就間歇發生,進而恒星的徑向加速也是間歇的。在某次間歇期,恒星的視向速度能透過公式(3)推匯出:

公式顯示,恒星視向速度是間歇性變化的。由於不同恒星核聚變的間歇周期不同,在一個間歇期內進行核聚變的時間也不同,所以銀河系裏各個恒星間的距離會交替著縮短和增大,尤其是同一徑向的兩顆恒星之間;同樣,太陽跟其他恒星的距離也會有縮短和增大的時候。

要是咱不考慮地球的運動,在地球上看恒星的譜線跟在太陽上看是相同的。可要是看銀河系裏的其他恒星,因為都卜勒效應,它們的譜線會一直有紅移(就是恒星離咱們遠的時候,光的波長變長,譜線往紅色那邊偏,這叫紅移)和藍移(恒星靠近咱們的時候,光的波長變短,譜線往藍色那邊偏,這叫藍移),就跟來回晃似的。

銀河系裏有好多跟太陽差不多的恒星,它們核聚變、質素損失還有徑向加速度都是一陣一陣的,彼此間的距離一會兒縮短,一會兒增大;同樣,從太陽到這些恒星那麽遠的距離去觀察它們,會發現它們的譜線也是晃來晃去的。

在天文學這個範疇,光譜線屬於研究天體性質跟成分的關鍵手段。通常來講,單個的天體都會形成特定的光譜線,依靠這些光譜線能夠讓咱們了解它的構成和物理特點。不過,當觀測某些光譜線的時候,天文學家會發現一些不對勁的情況,這些光譜線好像有規律地來回擺動。

一開始,天文學家覺得這些振蕩是由雙星系統導致的,啥是雙星系統呢?就是兩顆天體圍著彼此轉,所以就有了周期性的光譜變化。這種說法挺合理的,畢竟雙星系統在天文學裏常見得很,而且它們的運動確實能讓光譜產生變化。

不過呢,由於觀測技術變好了,研究也更深入了,天文學家慢慢發現這些振蕩光譜線不是全都能輕易歸到雙星系統裏。有些光譜線呈現出跟傳統雙星系統不一樣的特點,這讓天文學家來了興致。

經過更多的觀察和分析,他們了解到這些特別的光譜線其實是被其他復雜的物理狀況造成的。比如說,也許是某顆恒星周邊有行星或者恒星際介質雲氣,它們的相對活動也會讓光譜線出現振蕩。要不,這些光譜線或許是因為恒星自身的脈動以及非球對稱自轉這類內在的過程導致的。

這種發現對天文學研究相當重要。它告誡咱們解釋天體現象得小心點,得把各種可能的因素都考慮進去。更深入地搞清楚這些光譜線振蕩的來頭和本質,咱們就能更好地明白銀河系裏不同天體的特點,給更廣泛的宇宙現象帶來新的認識。所以,天文學家會接著使勁研究這些光譜線振蕩現象,去揭開宇宙裏更多神秘的東西。

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