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50亿年后,当太阳燃尽时,最终剩下的是碳核还是铁核?

1月1日 夜如影投稿
  回答这个问题前有必要先弄清楚另外两个问题。
  一,同样是核聚变,为什么氢弹只是一瞬间而恒星却可以燃烧好多亿年?
  二,为什么恒星不会一直聚合直到出现更多质子数的元素呢?
  针对第一个问题,因为氢核聚变反应需要的温度极高。标准大气压下需要至少一亿度才会大规模发生反应。
  但太阳内核的温度只有区区一千五百万度,氢核聚变反应怎么就发生了呢?虽然太阳内核的压强可以高达标准大气压的三千亿倍,但这最多也只能让质子的密度增加而已,最终依然达不到核聚变的条件。
  库伦势垒示意图
  关键是由于质子都带正电荷,因此当质子相互靠近时,彼此之间就会产生一个强大的排斥力,在微观领域这个排斥力是非常大的。这被称为库伦势垒。而质子的动能必须要克服库伦势垒,才能彼此碰撞,继而才有可能进行核聚变。
  根据计算太阳核心区的质子平均动能仅为库伦势垒的千分之一,远远达不到氢核聚变的条件。这时就需要引入量子力学里的一个概念:量子隧穿。
  量子隧穿示意图
  量子隧穿简单说就是氢原子有一定概率在太阳核心这个温度和压强下聚合成氦原子,但发生这个现象的概率非常非常低,只有1万亿亿分之1。
  但因为太阳中氢原子的数量巨大,即便概率如此之低,也会有足够多的氢原子发生聚合反应,释放出如今大家每天都能看到的巨大能量来。
  在极低概率的控制下,太阳的核燃料只能以极为缓慢的速度来消耗,这也是太阳不像氢弹,释放能量只有一瞬间,而是能持续燃烧100亿年的原因。
  太阳示意图
  恒星因为质量大小有区别,其核心的压力和温度就会不一样。这就导致量子隧穿的概率、最终原子成功核聚变的比例和核聚变能达到的层级也不一样。
  一般来说,质量达到太阳8以上,才能够勉强激发中心的氢核聚变,但却无法激发氦核聚变。这类恒星最终的产物只有氦元素。如果恒星的质量足够大,恒星内部核聚变会按着氢氦碳的反应顺序进行。
  刚可以达到氢聚变的小恒星
  当聚变材料被消耗殆尽的时候,聚变反应就停止了。这个质量的恒星中心温度和压力使碳原子量子隧穿的概率急剧下降至可以忽略不计。
  太阳质量上下的恒星,核聚变也就是6号元素碳。只有大于太阳质量8倍以上的恒星,才能继续往下聚变。粒子(氦核)与元素进行反应过程,按照碳12氧16、氖20、镁24的顺序反应
  质量更大的恒星在碳消耗殆尽后会再进一步收缩,温度会再一步提高,氧、氖、镁开始反应,按照氧16、氖20、镁24硅28和硫32的顺序反应
  当大恒星烧到只剩下硅和硫的时候,恒星会继续收缩,温度继续提高直到硅燃烧(恒星内部核聚变的最后一步)这时候硅会与参与过程,进一步产生新元素,按照硅28硫32氩36钙40钛44铬48铁52镍56的顺序反应
  大质量恒星内部示意
  6天以后镍56会以正衰变成钴56,再过77天衰变为铁56,至此恒星内部的热核反应完全结束。不过是在反应的作用下,元素会继续进行聚变,而铁56已经达到比结合能的最大值。
  下一个元素锌60核子质量要更重。核聚变反应不仅不会释放能量反而需要消耗能量才能进行。此时的恒星已经消耗掉了全部燃料,在失去热辐射压力支撑的核心外围物质,会在一瞬间被内核引力吸引急剧向内坍缩。
  中子星示意图
  核心会在撞击下形成中子星或黑洞,巨大的能量会导致外壳爆炸从而形成型超新星,并喷洒出大量中子。超新星爆炸的一瞬间铁56会捕获喷洒出的中子形成铁以上的重元素。
  白矮星与地球对比示意图
  不过大质量恒星的寿命通常都极短,通常只有数千万年,而太阳的寿命会在一百亿年。质量是太阳的825倍的恒星寿命只有数百万年。其中质量小的恒星超新星爆发后会形成中子星,大的就会形成黑洞。而以太阳的质量最终只能形成白矮星,剩下的是一个小碳疙瘩。
  黑洞示意图
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