既然核聚变的条件那么苛刻,一颗恒星是如何被点燃的?

瞻云 2023-07-26 20:15:29

核聚变条件并不苛刻,在宇宙中,“燃烧”的恒星占星系可见物质的90%。

是人类太过于弱小,才会觉得核聚变条件苛刻。

一颗恒星是如何被点燃的?

宇宙中氢元素占比高达90%,占宇宙总可见物质的75%。

这些氢分子云在宇宙中汇聚成美丽星云,是恒星天然的原材料。

为什么宇宙中这些氢分子云没有直接形成恒星?

因为分子云相当的稀薄,每立方厘米仅仅只有100个气体分子。而地表大气中含有的分子数多达十亿亿个,是前者的千万亿倍。

自然状态下的星云之所以不坍缩成恒星,是因为分子云之间的热压力与引力,处在一个平衡状态。

要造一个太阳,你只需要给这些星云提供足够的引力,打破力量平衡就可以了。

所以,这个引力并不一定需要多大,只需要恰到好处就行。

甚至可能仅仅让两个分子云合并,就会像多诺米骨牌一样,发生连锁效应,最终引起整个星云的坍缩。

一定尺度范围内,星云坍缩的极限质量被称为金斯质量。

星云在不断坍缩的过程中,引力势能转化成动能,不断汇聚,激烈碰撞,转化成热能。

经过数亿年的时间,分子云在引力的作用下逐渐收缩旋转,最终形成接近恒星状态的吸积盘,这就是原恒星。

随着星云物质旋转速度加快,原恒星也飞速坍缩,内部的温度和压力都急遽升高。

直到数千万年之后,原恒星内部温度和压强都达到足够高的地步,内部被“点燃”,发生氢聚变,一颗恒星便诞生了。

这个过程本质上,是外部压强让氢原子和氢原子之间的距离足够的近,加之氢原子在高温下具有足够的速度,氢原子和氢原子发生“碰撞”时,让它们之间的距离,足以近到强相互作用力发挥主导作用(10^(-15)~10^(-10) m 范围),从而令聚变发生。

确切的说,正是因为需要突破强相互作用力的短程距离,才能发生核聚变,所以需要足够高的温度或压强。

而对于一颗恒星来说,诞生它的星云,哪怕最小往往接近1光年半径,超过地球质量的数万倍。

它坍缩时产生强烈的光热和压强,压强达到100万倍大气压,以及1000万度,便足以让氢分子突破强相互作用距离,发生核聚变。

太阳是地球的数十万质量,内核高达1500万度,内部压强达到大气压的2000多亿倍。

对于太阳这样的黄矮星来说,内核燃烧其实是高于宇宙恒星平均水平的。

恒星质量越大内部越致密,温度越高,“燃烧”得越快。

30倍太阳质量的恒星,亮度可以达到太阳的10万倍以上。

由于内核聚变过于剧烈,寿命却不超过1000万年。

相反低质量恒星的寿命,内部可以说是只有“星星之火”,寿命甚至可达数千亿年以上。

对于宇宙来说,最低达到0.08太阳质量的红矮星的内部压强和温度就能点燃氢聚变。

但是对于人类来说,为什么就那么苛刻?

对于现今的人类科技来说,制造1亿摄氏度已经不存在多少困难。“点燃”氢聚变,也的确能做到。但最大的难度,就是如何持续可控。

1亿℃足以让所有的宇宙物质变成等离子体。你无法制造太阳内部那样大的引力场,如何控制?而且超高温下氢密度很低,甚至只有常温大气压的万分之一。

这些都加大了可控氢聚变的难度。

之所以托卡马克装置成为主流,是因为磁约束的确在理论上可行。

其实哪怕这样,我们用的也是氢同位素氘/氚来降低聚变的难度。我们要达到商用级别的成功,也需要数十年以上。

托卡马克装置的最大挑战,其实就是磁约束的精准控制。

人类目前的能源总功率仅仅只有太阳能(对地球的辐射)的万分之一,更是只有太阳辐射功率的20万亿分之一。

如此大的数量级差距,令现今人类对恒星级能源遥不可及。

人类文明要走出太阳,把聚变条件变得不再苛刻,只会是最最最基本的条件之一。

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瞻云

简介:科普作家,生物学、物理学领域创作者