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恒星的寿命有多长? 精选

已有 4995 次阅读 2022-10-11 16:19 |系统分类:科普集锦

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恒星图片

太阳是一颗恒星。恒星是自身能发出光和热的星体。以前认为这些星体的位置和亮度都是固定不变的,所以起名叫恒星。根据定义我们很容易计算出恒星的寿命:

恒星寿命=恒星释放的总能量/恒星每秒释放的能量

拿我们最近的恒星太阳来说,它每秒释放的能量也就是太阳的光度,即3.85×10^26 瓦特,这个比较精确的数据是1838年由法国物理学家克劳德·普雷特测量出来的。

测量方法比较简单,你可以自己测量,需要一些水、温度计、一只表和一个桶。主要方法是,直接的太阳光照使一定量的水在已知表面上升温一度,需要多长时间。这样能让我们估算出1.5亿公里(太阳到地球的距离)以外的太空每平方米每秒有多少太阳能可以到达地球的位置。这个量又叫作太阳常量,现在都是通过地球大气层上方的人造卫星来测量太阳常量。但是你也可以像普雷特一样,站在山顶上,放好一桶水,通过仔细的计算,得出9成以上精确的答案。太阳常量大约是1.36千瓦/平方米,随太阳活动的变化约有0.1%的变动,因为地球轨道的离心率导致一年时间内约有7%的变动。因此如果知道地球到太阳的距离,太阳能的总输出量是可以计算出来的。

知道了太阳的光度或者是太阳常量,我们就可以使用太阳能够释放的总能量来估算太阳的寿命了。英国科学家开尔文爵士认为太阳释放的能量来自于引力收缩。于是,他计算了太阳从原始恒星收缩到当前大小释放的总能量,大约为:

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其中,G为万有引力常数,M为太阳质量,R为太阳半径。用总能量除以太阳常量,就可以算出太阳把这些能量释放完所用的时间,即太阳的寿命。我们可以查一下资料,来估算出太阳的寿命。代入太阳的半径70万公里,质量2×10^30公斤,和上文测量的太阳常量,我们可以计算出太阳的寿命约为两千四百万年。

这个值太小了,遭到众多科学家的反对。哈雷说我用海水的盐分估算出地球的年龄为8千万年;赫尔姆斯说我用地球上岩石形成的时间估算,地球的年龄约为3亿5千万年;卢瑟福说我使用放射性纪年法得到的年龄是40亿年;达尔文说你的年龄太小了,没有给人类演化留下充分的时间。

那么开尔文错在哪儿了呢?他错在把引力收缩的能量作为太阳释放的总能量,这个能量太小了。

英国天文学家爱丁顿假设恒星的能量来源于核能,就可以解决上述矛盾。恒星中的主要材料是氢和氦,如果可以把四个氢转换成一个氦,就可以释放26.7兆电子伏特的能量,产能比例约为千分之7。按照这个比例计算,太阳中的氢全部转换成氦可以释放的总能量为1.26×10^45焦耳,这个能量可供太阳发光发热近1000亿年。事实上恒星中的这种由氢到氦的转换只能在恒星内部进行,恒星外部的温度低,达不到转换所需要的条件。也就是说恒星演化过程中只有10%的氢参与转换过程,能够释放的总能量是恒星中氢蕴含的能量乘以0.1,再乘以千分之7。由此,很容易计算出太阳的寿命为100亿年。后来,这个结果被美国科学家汉斯·贝特通过pp反应链的计算结果进一步证实。因而,我们可以根据下式估算恒星的寿命,即:

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式中,M*和M分别表示恒星和太阳的质量,L*和L分别表示恒星和太阳的光度。也就是说,如果我们知道恒星的质量和光度,就可以估算恒星的寿命了。

比如有一颗恒星质量是太阳的16倍,光度为太阳的8千倍,那么它的寿命就只有2700万年;而另一颗恒星的质量仅有太阳的十分之一,光度仅有太阳的万分之8,它的寿命将长达1万2千5百亿年。

实际上,恒星的光度与恒星的质量也是相关的,可以粗略的用下述公式表示:

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因此,只要知道恒星的质量,就可以估算恒星的寿命了。一般地,恒星的质量越大,它的寿命就越短。一个5倍太阳质量的恒星,它的寿命约为6千万年;而一个质量为25倍太阳质量的恒星,它的寿命仅有7百万年。




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