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太阳从何而来?探寻恒星形成之谜

2024-08-06科学

要说恒星的形成和演化,影响力最大的假设得是「星云」。这个假设讲,太阳是由一团坍缩的气体云变来的。在坍缩的时候,气体云里的温度和压力一直往上升,等中心温度到了一千万摄氏度,就有氢聚变成氦的热核反应了,放出超多能量,让环境的温度和压强都变高,旁边的氢也聚变了,接着就有了一连串的热核反应,这样太阳就形成了。

当核心里的氢气用光了,这颗恒星就完了。不过从万有引力的原理来说,这片星云不是巨大的行星,而是因为有这颗行星才有这片星云,不然这片星云就不存在了,也就是说,这片星云不是真正的恒星。

另外,科学估算说,当下太阳已经热核反应了大概 45.7 亿年,还会接着反应超过 50 亿年。但显然,有限的氢撑不了这么久的热核反应,所以太阳得一直有氢气供应才行。

太阳是太阳系的核心,是很具代表性的恒星,那咱就拿它当例子讲讲恒星的起源。由于太阳围着星系中心转,所以能猜到,它起初是星系中央某颗行星孕育出的卫星,就跟月亮从地球孕育出来似的。

所以啊,太阳从最开始的「卫星」发展到如今的「主序」,得经历好多阶段,先从「卫星」变成「行星」,接着变成「恒星」。当原来的太阳从小小的卫星变成跟地球差不多的行星时,它卫星的一部分会接着围着母星转,把轨道周边的「星云」吸收进来,让自己变得更大,随后在母星万有引力影响下,缓缓地远离母星。

后来啊,可能是被其他小点的星球给影响了,它们从后边沿着不一样的轨道赶上了这颗星球,结果让这颗星球变成了跟木星差不多的超级星球。类木星因为质量特别大,能吸收好多不同的气体,弄出很浓厚的大气;而且类木星转动的时候,会弄出很强的螺旋电流,这样就形成了很强的偶极子磁场。

虽说木星个头特别大,能吸纳并稳住大气里的氢气,里面有 75%的氢,跟太阳含的氢差不多。科学家估摸,得有 70 到 80 倍木星那么重,占太阳质量 7%到 8%的巨型行星,其重力、压力和温度才能够让氢气发生熔合反应,接着爆炸变成新的恒星。原来呀,它围着自己的主星转的时候,会一直吸收周边的物质,让自己的质量变大,进而变成能爆炸的恒星。

原太阳高速旋转的时候,就会形成一个特别强的「极地涡旋」,这是它形成的原因。这个极地涡旋能不停地从旁边的太空中吸收氢和其他物质,还会把其中一些给释放出去。

原太阳里有两种在南北极分布的大型涡,分别跨越了对流层和平流层。由于等离子体云下降时旋转速度加快,温度降低,它旋转的速度比地球上十二级飓风还快,云层都冻成冰块了,这就是它温度比大气温度低的缘由。因此,在远处的地球上看,就像个小黑子。

旋涡里一直有云,还呈螺旋状快速往下转,这样就有了一连串密集的螺旋云。在这些云里,重的负离子会往下移动,顺着漩涡往下,轻些的负离子也往下移动,顺着漩涡往下,最后就形成了从漩涡到顶端的一个流动。

另外,在螺旋云路上,大尺度的云飞速往下旋转,特别容易剧烈碰撞,释放出超多电能,进而在漩涡里出现放电和雷暴。每次放电和打雷,好比一个静电力启动器,把电流送到漩涡上下两头。在螺旋云路中,主要的流动是从涡底往涡顶去的,这是由于原本就有这种从涡底到涡顶的流动。正因为电流在螺旋云路上从漩涡底部一直流到顶端,所以形成了一个很强的偶极子磁场。

另外,由于极涡涵盖的区域很大,就会有好多云团被吸进去,云团往下沉的时候,云层会变得越来越厚,重量也越来越大。云团顺着长长的螺旋轨道行进时,特别容易产生摩擦、碰撞,从而形成强烈的雷电风暴,还会释放出大量电荷,让周围气温达到几万摄氏度,大气压达到几百万个大气压,致使大量的气体氢气变成了液体金属氢气。

当这些液体飞速地往下旋转时,它们会慢慢冷却,最后在漩涡底部变成一块块比地球还大的金属氢化物晶体。就像最近,有名的天文学家纳西姆·哈拉明,在一张 SOHO(日球层探测器)的影像里,看到了一颗大小跟地球差不多的白色不明星体,是从北极黑子区飞出来的。

现在咱们清楚,木星内核温度大概是 28 万摄氏度,压力约 4 千万个大气压。这颗棕矮星跟太阳一比,大小和质量都大多了,它的内核温度大概在 28 万摄氏度上下,压力约 400 亿个大气压。要是一颗跟地球大小差不多的金属氢撞一块了,产生的能量比 TNT 还大,会引发一连串的热核反应。

热核反应一发生,很快就会释放出超多能量,让局部地区一下子热起来,还会有各种电磁辐射,黑子也会迅速变大,这被叫做「耀斑」。耀斑是太阳热核反应的一个特点,它爆发得特别强烈,能改变黑子的结构,或者让黑子萎缩、消退。

一般来说,黑子生成和消失往往得花数天甚至几个月,而且一个黑子能吸收的量有限,要是超过了它能吸收的量,就没法再吸了。所以,一个黑子吸收量用完后,就不会再有新黑子能让它吸收,这就是这个黑子吸收量会这么大的缘由。

好在太阳造就了水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星好多星球,这些星球都围着太阳快速转,能在太阳周边弄出一圈一圈的黑子漩涡,靠着这些漩涡一直吸收太阳的热量,给太阳补充能量。

在太阳系的八大行星里,水星、金星、地球、火星的轨道平面都没越过太阳的极点,只有木星、土星、天王星、海王星这四颗行星的轨道平面能横跨太阳的极点。在这后四颗行星中,木星最大,还离太阳最近,所以木星对极点气旋的影响是最大的。

实际上,木星从高纬往低纬去的时候,会有跟月亮对地球海浪那样的引力。要是木星跟太阳北极的一个黑子旋涡靠得很近,那这个旋涡就会倾斜,甚至崩塌,把里头的冷空气和上层的旋涡都给挤出去。因为木星的引力,这些次级气旋会跟着冷空气很快地朝低纬移动。

要是一个次级气旋积累一阵子,变成了能承受高温的长条形气旋,就会从平流层进到对流层,在它后边形成纬度比较低的「黑子」。因为太阳转得快,还有其他行星公转,这些黑子能被木星之类的行星从高纬度复制到低纬度,甚至到赤道附近,接着又被水星、金星、地球这些行星快速复制,最后形成一个围着地球的黑子。

当这些黑子围着地球打转时,太阳就变成了一个外表六千摄氏度,内部一千五百万摄氏度的亮闪闪的星球。太阳表面看上去就像一个由高温等离子体和磁场交织在一起的球,可即便温度这么高,照样能在太阳的大气层形成并且活跃着。

它是由好几百万个漩涡组成的,这些漩涡会一直转,时间长了温度还会降低,漩涡底部空气流动的速度比十二级飓风快几十倍。由好几万个冷空气漩涡组成的黑子气旋,能拦住太阳里面的热量往外传,所以它里面的温度比较低。

要是从远处瞧,它就是个挺小的黑子,可在它那漩涡当中,有个跟地球一般大的金属氢化物相互碰撞,导致了一连串的热核反应,这就形成了一颗恒星上的黑子漩涡。

在太阳里,不光一直有融合,还一直有分裂。为啥呢?一个较轻的核跟一个较重的核融合时,产生的不只是重原子核,还会有多余的高能中子。要是融合的反应物里有一定量的重核,融合的中子就会和重核撞上,让重核分裂,变成新的轻核,而这些轻核又会再去热核反应里,产生新的中子。

关于恒星的形成跟演化,像太阳这种,有不少假设。在这当中,被大家广泛认可的一个理论叫「星云」,这个理论讲太阳系是 45.7 亿年前一次星系崩塌造就的,等它内核的氢用光了,太阳系就进入生命周期了,可它含的氢量不多,得从外太空弄来稳定的燃料才行。所以啊,现在各种有关恒星形成与演化的假设还是有争议的。