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太陽從何而來?探尋恒星形成之謎

2024-08-06科學

要說恒星的形成和演化,影響力最大的假設得是「星雲」。這個假設講,太陽是由一團塌縮的氣體雲變來的。在塌縮的時候,氣體雲裏的溫度和壓力一直往上升,等中心溫度到了一千萬攝氏度,就有氫聚變成氦的熱核反應了,放出超多能量,讓環境的溫度和壓強都變高,旁邊的氫也聚變了,接著就有了一連串的熱核反應,這樣太陽就形成了。

當核心裏的氫氣用光了,這顆恒星就完了。不過從萬有重力的原理來說,這片星雲不是巨大的行星,而是因為有這顆行星才有這片星雲,不然這片星雲就不存在了,也就是說,這片星雲不是真正的恒星。

另外,科學估算說,當下太陽已經熱核反應了大概 45.7 億年,還會接著反應超過 50 億年。但顯然,有限的氫撐不了這麽久的熱核反應,所以太陽得一直有氫氣供應才行。

太陽是太陽系的核心,是很具代表性的恒星,那咱就拿它當例子講講恒星的起源。由於太陽圍著星系中心轉,所以能猜到,它起初是星系中央某顆行星孕育出的衛星,就跟月亮從地球孕育出來似的。

所以啊,太陽從最開始的「衛星」發展到如今的「主序」,得經歷好多階段,先從「衛星」變成「行星」,接著變成「恒星」。當原來的太陽從小小的衛星變成跟地球差不多的行星時,它衛星的一部份會接著圍著母星轉,把軌域周邊的「星雲」吸收進來,讓自己變得更大,隨後在母星萬有重力影響下,緩緩地遠離母星。

後來啊,可能是被其他小點的星球給影響了,它們從後邊沿著不一樣的軌域趕上了這顆星球,結果讓這顆星球變成了跟木星差不多的超級星球。類木星因為質素特別大,能吸收好多不同的氣體,弄出很濃厚的大氣;而且類木星轉動的時候,會弄出很強的螺旋電流,這樣就形成了很強的偶極子磁場。

雖說木星個頭特別大,能吸納並穩住大氣裏的氫氣,裏面有 75%的氫,跟太陽含的氫差不多。科學家估摸,得有 70 到 80 倍木星那麽重,占太陽質素 7%到 8%的巨型行星,其重力、壓力和溫度才能夠讓氫氣發生熔合反應,接著爆炸變成新的恒星。原來呀,它圍著自己的主星轉的時候,會一直吸收周邊的物質,讓自己的質素變大,進而變成能爆炸的恒星。

原太陽高速旋轉的時候,就會形成一個特別強的「極地渦旋」,這是它形成的原因。這個極地渦旋能不停地從旁邊的太空中吸收氫和其他物質,還會把其中一些給釋放出去。

原太陽裏有兩種在南北極分布的大型渦,分別跨越了對流層和平流層。由於等離子體雲下降時旋轉速度加快,溫度降低,它旋轉的速度比地球上十二級颶風還快,雲層都凍成冰塊了,這就是它溫度比大氣溫度低的緣由。因此,在遠處的地球上看,就像個小黑子。

旋渦裏一直有雲,還呈螺旋狀快速往下轉,這樣就有了一連串密集的螺旋雲。在這些雲裏,重的負離子會往下移動,順著漩渦往下,輕些的負離子也往下移動,順著漩渦往下,最後就形成了從漩渦到頂端的一個流動。

另外,在螺旋雲路上,大尺度的雲飛速往下旋轉,特別容易劇烈碰撞,釋放出超多電能,進而在漩渦裏出現放電和雷暴。每次放電和打雷,好比一個靜電力啟動器,把電流送到漩渦上下兩頭。在螺旋雲路中,主要的流動是從渦底往渦頂去的,這是由於原本就有這種從渦底到渦頂的流動。正因為電流在螺旋雲路上從漩渦底部一直流到頂端,所以形成了一個很強的偶極子磁場。

另外,由於極渦涵蓋的區域很大,就會有好多雲團被吸進去,雲團往下沈的時候,雲層會變得越來越厚,重量也越來越大。雲團順著長長的螺旋軌域行進時,特別容易產生摩擦、碰撞,從而形成強烈的雷電風暴,還會釋放出大量電荷,讓周圍氣溫達到幾萬攝氏度,大氣壓達到幾百萬個大氣壓,致使大量的氣體氫氣變成了液體金屬氫氣。

當這些液體飛速地往下旋轉時,它們會慢慢冷卻,最後在漩渦底部變成一塊塊比地球還大的金屬氫化物晶體。就像最近,有名的天文學家納西姆·哈拉明,在一張 SOHO(日球層探測器)的影像裏,看到了一顆大小跟地球差不多的白色不明星體,是從北極黑子區飛出來的。

現在咱們清楚,木星內核溫度大概是 28 萬攝氏度,壓力約 4 千萬個大氣壓。這顆棕矮星跟太陽一比,大小和質素都大多了,它的內核溫度大概在 28 萬攝氏度上下,壓力約 400 億個大氣壓。要是一顆跟地球大小差不多的金屬氫撞一塊了,產生的能量比 TNT 還大,會引發一連串的熱核反應。

熱核反應一發生,很快就會釋放出超多能量,讓局部地區一下子熱起來,還會有各種電磁輻射,黑子也會迅速變大,這被叫做「耀斑」。耀斑是太陽熱核反應的一個特點,它爆發得特別強烈,能改變黑子的結構,或者讓黑子萎縮、消退。

一般來說,黑子生成和消失往往得花數天甚至幾個月,而且一個黑子能吸收的量有限,要是超過了它能吸收的量,就沒法再吸了。所以,一個黑子吸收量用完後,就不會再有新黑子能讓它吸收,這就是這個黑子吸收量會這麽大的緣由。

好在太陽造就了水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星好多星球,這些星球都圍著太陽快速轉,能在太陽周邊弄出一圈一圈的黑子漩渦,靠著這些漩渦一直吸收太陽的熱量,給太陽補充能量。

在太陽系的八大行星裏,水星、金星、地球、火星的軌域平面都沒越過太陽的極點,只有木星、土星、天王星、海王星這四顆行星的軌域平面能橫跨太陽的極點。在這後四顆行星中,木星最大,還離太陽最近,所以木星對極點氣旋的影響是最大的。

實際上,木星從高緯往低緯去的時候,會有跟月亮對地球海浪那樣的重力。要是木星跟太陽北極的一個黑子旋渦靠得很近,那這個旋渦就會傾斜,甚至崩塌,把裏頭的冷空氣和上層的旋渦都給擠出去。因為木星的重力,這些次級氣旋會跟著冷空氣很快地朝低緯移動。

要是一個次級氣旋積累一陣子,變成了能承受高溫的長條形氣旋,就會從平流層進到對流層,在它後邊形成緯度比較低的「黑子」。因為太陽轉得快,還有其他行星公轉,這些黑子能被木星之類的行星從高緯度復制到低緯度,甚至到赤道附近,接著又被水星、金星、地球這些行星快速復制,最後形成一個圍著地球的黑子。

當這些黑子圍著地球打轉時,太陽就變成了一個外表六千攝氏度,內部一千五百萬攝氏度的亮閃閃的星球。太陽表面看上去就像一個由高溫等離子體和磁場交織在一起的球,可即便溫度這麽高,照樣能在太陽的大氣層形成並且活躍著。

它是由好幾百萬個漩渦組成的,這些漩渦會一直轉,時間長了溫度還會降低,漩渦底部空氣流動的速度比十二級颶風快幾十倍。由好幾萬個冷空氣漩渦組成的黑子氣旋,能攔住太陽裏面的熱量往外傳,所以它裏面的溫度比較低。

要是從遠處瞧,它就是個挺小的黑子,可在它那漩渦當中,有個跟地球一般大的金屬氫化物相互碰撞,導致了一連串的熱核反應,這就形成了一顆恒星上的黑子漩渦。

在太陽裏,不光一直有融合,還一直有分裂。為啥呢?一個較輕的核跟一個較重的核融合時,產生的不只是重原子核,還會有多余的高能中子。要是融合的反應物裏有一定量的重核,融合的中子就會和重核撞上,讓重核分裂,變成新的輕核,而這些輕核又會再去熱核反應裏,產生新的中子。

關於恒星的形成跟演化,像太陽這種,有不少假設。在這當中,被大家廣泛認可的一個理論叫「星雲」,這個理論講太陽系是 45.7 億年前一次星系崩塌造就的,等它內核的氫用光了,太陽系就進入生命周期了,可它含的氫量不多,得從外太空弄來穩定的燃料才行。所以啊,現在各種有關恒星形成與演化的假設還是有爭議的。