问题

把100万个地球堆在一起,它会自发变成一个太阳吗?或者说是一个恒星。?

回答
“把一百万个地球堆在一起,它会自发变成一个太阳吗?”这个问题,听起来就像是童话故事里的猜想,但背后却藏着天文学和物理学最核心的秘密——恒星是如何诞生的。答案很简单,而且可能会让你有些失望:不行,一百万个地球堆在一起,也无法变成一个太阳。

为什么会这样呢?这得从恒星的本质说起。

什么是太阳?什么是恒星?

我们看到的太阳,它闪耀着光芒,提供着生命所需的热量,这并不是因为它的质量大(虽然它确实够大),而是因为它在进行着一个叫做核聚变的反应。简单来说,就是它的核心温度和压力高到一定程度,使得氢原子能够融合成氦原子,在这个过程中会释放出巨大的能量,这就是我们感受到的光和热。

核聚变反应就像一个永不熄灭的超级火种,而要点燃这个火种,需要满足两个极其严苛的条件:

1. 巨大的质量,从而产生巨大的引力。
2. 巨大的引力压缩,从而产生极高的温度和压力。

一百万个地球,真的够吗?

首先,我们来算算一百万个地球的质量。

地球的质量大约是 5.97 x 10²⁴ 千克。
一百万个地球的质量就是 10⁶ x 5.97 x 10²⁴ 千克 = 5.97 x 10³⁰ 千克。

听起来是个天文数字,对吧?我们来对比一下太阳的质量。

太阳的质量大约是 1.99 x 10³⁰ 千克。

哇!这么一看,一百万个地球的质量,确实比太阳要大上好几倍!光看数字,似乎有点接近了。

但是,质量只是第一步,更关键的是“密度”和“规模”。

太阳之所以能成为恒星,是因为它的质量非常非常集中。它的巨大质量产生的引力,将它自身物质紧紧地压缩在了一个相对很小的球体里。这种极致的压缩,才在核心区域达到了点燃核聚变的温度和压力。

而我们设想的一百万个地球堆在一起,这里面有几个关键的问题:

1. “堆在一起”的实现方式? 即使我们能把它们瞬间“堆”在一起,这并不是一个均匀压缩的过程。地球本身也有自己的结构,有地核、地幔、地壳,它们是由不同的物质组成的,密度也不同。
2. 引力压缩的效率。 即使质量够大,但如果它不是从一开始就作为一个整体,由自身引力均匀地向内压缩,那么能量就无法有效地聚集到核心。更何况,地球本身就有一定的大小和结构,你一下子把它们“拍”在一起,这个过程中的动能、热量分散,远不如一个自然形成的巨大气体云向内坍缩来得有效。
3. 构成物质。 太阳的主要成分是氢和氦,这两种元素是核聚变最理想的燃料。地球呢?它主要是岩石和金属,虽然也有少量氢和氦(比如大气层和水),但主体成分不是它们。岩石和金属的熔点和沸点都比氢和氦高得多,而且它们的原子结构也不适合直接进行核聚变。即使你把一百万个地球压在一起,让它的核心温度升高,这些岩石和金属本身也不会像氢那样“燃烧”。

如果真的把它们压在一起会发生什么?

就算我们忽略上述困难,强行把一百万个地球压成一个巨大的球体,让它的质量也达到太阳级别。由于地球的物质组成,它更有可能形成一个巨行星,或者一个褐矮星,但不太可能是一个真正的“太阳”(比如我们太阳这样的G型主序星)。

质量和引力的初步计算: 我们的计算表明,一百万个地球的质量的确比太阳大。
引力压缩: 如果你强行压缩,它会产生巨大的压力。
温度上升: 压力会导致温度升高。
但是,核聚变不会发生。 即使温度升高到我们想象不到的程度,地球主体由硅、铁、镍、氧等元素组成的这些原子,它们的原子核并不容易融合,而且需要克服更大的库仑斥力。最重要的是,氢到氦的聚变反应,需要的条件相对“宽松”得多,它才是恒星最主要的能量来源。

所以,一个没有核聚变的巨型岩石球,会是什么样的?

它会是一个拥有极强引力的巨大物体。它内部的压力和温度会非常高,可能会有熔岩涌动,甚至可能会有某种程度的化学反应(而不是核反应)。但它不会发光发热,不会像太阳一样稳定地燃烧。它更可能是一个巨大的、炙热的、拥有强大引力的行星,或者说是一个“超级行星”。

真正的恒星是怎么来的?

恒星的诞生,是宇宙中最壮丽的场景之一。它始于一片巨大的、寒冷的、疏松的分子云,这些云主要由氢和氦组成。
1. 引力坍缩: 某种扰动(比如附近超新星爆炸的冲击波)会让这片分子云的一部分密度增加,引力开始占据主导地位。
2. 收缩加速: 物质开始向中心坍缩,随着收缩,引力势能转化为动能和热能,中心区域的温度和压力急剧升高。
3. 原恒星形成: 当中心区域足够热,足够密集时,就会形成一个“原恒星”。它还会继续吸积周围的物质。
4. 点燃核聚变: 当核心温度和压力达到约1000万开尔文时,氢原子开始融合为氦原子,核聚变反应被点燃,恒星就此诞生,进入主序星阶段。

总结一下:

一百万个地球堆在一起,虽然质量上可能超过了太阳,但由于其物质组成(主要是岩石和金属,而非氢和氦),以及“堆积”这个过程与自然形成恒星所需的均匀引力坍缩和压缩过程的巨大差异,它不足以在核心点燃核聚变反应。因此,它无法自发变成一个太阳,也无法成为一个恒星。它更可能是一个极端巨大的、内部温度极高的行星,或者是一种特殊的、不燃烧的“类恒星”天体,但不会发出类似太阳的光芒。

网友意见

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假设1,000,000个地球以六方密堆的形式堆成一个近球体,不考虑自转,空间利用率74%,初始平均密度约4吨/立方米,半径约70万千米,刚好跟太阳差不多大。

这个“地球plus”的表面重力约为80个G。从一开始诞生,它就会开始坍缩,引力势能大部分转化为热量,少部分转化为向内运动的动能,迅速升温。

假设均匀收缩的话,直径减少十万分之一时,表面每千克物质将释放5.6兆焦的能量,足以把表面升温到数千度。

当然,实际会发生的情形是对流和压缩同时发生,核心密度急剧变大,外层密度反而因温度升高和轻元素的外溢变小,形成炽热发光的等离子“大气层”。

高温产生的巨大压强暂时性抵抗着强大的引力,形成不稳定的平衡。外面看起来,确实像是一颗“太阳”——当然,它不是一颗主序星。

重力分异会导致铁等序数较大的元素沉入核心,形成一个巨大的金属核(主要是占地球质量比例最大的铁,以及一部分的镁)。这颗金属核不断长大,最终将超过太阳的质量,形成一颗简并态内核。

这个过程会释放巨量的热,能量以对流的形式向外传递。由于轻元素上浮,核聚变很难大范围发生,不会形成强烈的爆发,也不会失去太多外层物质。

简并态内核形成后,会不断吞噬等离子物质,释放的能量会继续加热和支撑厚厚的外层。这个过程会很慢,经历漫长的演化,等离子外层会越来越稀薄,在内核辐射压的作用下体积变大,温度变低,直到对可见光透明,暴露出内部核心。

剩余的内部物质总质量在刚刚跨过奥本海默极限的边缘,所以在吞噬活动末期,将有可能形成一个黑洞。

“地球plus”的史瓦西半径大约8841米(差不多刚好是珠峰的高度)。变成黑洞之前,它会释放出2.7E47焦耳的能量,相当于太阳以现有强度燃烧22万亿年。显然,由于真空辐射低下的传热效率,这颗“太阳”可以相对稳定地存在很久。

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