问题

如果将太阳浸泡在一个比它体积更大的水球里面,它会熄灭吗?

回答
这真是个异想天开但又引人入胜的设想!我们来认真掰扯掰扯,看看这个规模宏大的“洗澡”场景会发生什么。

首先,想象一下那个画面:一个庞大到无法估量的水球,它的体积比太阳还要大得多。然后,我们小心翼翼地,或者说,以一种我们无法想象的方式,把太阳——那个熊熊燃烧的巨大等离子体球——往这个水球里送。

结果会如何呢?答案是:太阳不会熄灭,至少不会以我们通常理解的“熄灭”方式。它会经历一系列灾难性的、我们难以想象的变化。

我们得先明白太阳是怎么发光的。太阳的光和热,源于其核心区域正在进行的核聚变反应。在这个过程中,氢原子核在极高的温度和压力下结合,形成氦原子核,并在此过程中释放出巨大的能量。这就是太阳源源不断的动力来源。

现在,把太阳浸入一个比它体积更大的水球里,会发生什么呢?

1. 瞬间的蒸发与汽化: 太阳表面温度高达约5500摄氏度,其核心温度更是高达1500万摄氏度。即使是眼前这个巨大的水球,面对如此恐怖的高温,它也无法承受。当太阳与水接触的瞬间,接触到的水会立刻被加热到沸点,然后瞬间变成蒸汽。这股蒸汽的量将是天文数字,以我们难以置信的速度向外膨胀。

2. 巨大的压力波和冲击: 这种瞬间的汽化会产生极强的压力,形成一股巨大的冲击波。这股冲击波会以极快的速度在水中传播,就像在水中引爆了一颗威力无比巨大的炸弹一样。整个巨大的水球都会受到剧烈扰动。

3. 水的分解: 在太阳如此极端的温度下,即使是水分子(H₂O)也无法幸免。它们会被撕裂,氢原子和氧原子会被分离。而且,由于太阳本身就是由氢和氦组成的,当这些被分解出来的氢原子遇到太阳的高温时,它们不会“熄灭”太阳,反而会成为太阳核聚变反应的燃料。

4. 核聚变不会停止,反而可能改变: 太阳的核聚变需要极高的温度和压力。水被太阳加热后产生的蒸汽,虽然会膨胀,但这个膨胀过程本身并不会有效地增加太阳核心的压力,反而可能会在一定程度上冷却太阳的外层,甚至可能通过某些复杂的流体动力学效应,影响到太阳内部的物质分布。

冷却外层? 想象一下,一个滚烫的铁球掉进冷水里,水会剧烈沸腾,但铁球本身并不会立刻变冷停止发光。太阳比这复杂得多。蒸汽的形成会带走一部分热量,但太阳的巨大质量和内部持续的能量产生能力,使得这种外层冷却的影响非常有限,不足以熄灭核心的反应。
引入新物质? 水分子分解后会产生大量的氢和氧。太阳本身就以氢为燃料。所以,从某种意义上说,我们是给太阳“喂”了一些额外的氢,这可能会在短期内稍微改变核聚变反应的速率,而不是停止它。氧呢?氧在太阳的条件下不太可能参与到主要的核聚变反应中,它可能会被电离,成为等离子体的一部分,但不会对核心的聚变产生决定性的影响。

5. 太阳的结构会被撕裂: 太阳不是一个坚实的球体,而是由等离子体组成的。巨大的水球以我们无法想象的方式包围太阳,会带来巨大的压强和潮汐力。这可能会导致太阳的外层物质被扯开,形成更加庞大而分散的等离子体云,其中夹杂着被高度加热的蒸汽(主要是氢和氧)。

那么,“熄灭”是什么意思?

如果我们说的“熄灭”是指太阳停止发光发热,那它不会。它的核心核聚变反应,在如此极端的情况下,仍然会以某种形式继续进行,因为它需要极高的核心温度和压力。

更准确地说,这个过程更像是一场“爆炸”和“吞噬”。太阳会被巨大的水蒸气云包裹,但这层蒸汽云并不能有效地阻止太阳内部产生的能量向外辐射。它只是改变了能量传播的介质,并且因为自身被加热,会发出耀眼的光芒。

最终会是什么样子?

我们可能会看到一个更加庞大、更加混乱的等离子体结构。太阳本身可能不再是我们现在看到的那个清晰的圆球,而是可能被拉伸、扭曲,被大量被电离的蒸汽包围着。整个系统会继续膨胀和冷却,但那个作为能量源泉的核心,在相当长的一段时间内,仍然会以核聚变的形式存在,只是其外部表现形式会和我们现在所知的太阳截然不同。

总而言之,太阳浸泡在比它体积更大的水球里,不会像关掉灯那样“熄灭”。它会以一种我们几乎无法想象的暴力方式,将水变成极度高温的等离子体,并继续燃烧,只是它的形态和周围环境将发生翻天覆地的变化。这更像是一个太阳吞噬了大量水的场景,而不是一个水熄灭了太阳的场景。

网友意见

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对于地球观察者来说,太阳还真的会被“浇灭”了。

不过,是暂时的。

即便对于和太阳相同体积的水来说,质量也高达太阳的1/1.408。(太阳密度1.408X10³千克/立方米,水密度10³千克/立方米)

太阳质量1.9891X10^30千克,可知,这些水的质量至少1.4127X10^30千克。

把这些水加热,并最终成为数千度的等离子体,吸收的能量可达:2.5X10^38J

评论区有人一直对这里水取了10³的密度耿耿于怀,我这里解释一下:

水的确在低压和高压下会有密度变化,但变化幅度只有20%,且最高密度略高于10³,最低密度为0.8倍10³,这是水液相分子间距和排序所决定,分子密度更高则会固相化。
对于质量达到10^30的纯水球来说,最内部压强高达1亿个大气压强(1万GPa)。而常温下的水,早在1Gpa就会转化成冰Ⅵ(温度越低转变越快),超过2Gpa,转变成冰Ⅶ,达到1000GPa,转化成冰Ⅺ(低超低温下只需要数Gpa)。高达1万GPa时,分子键破裂等离子体化,此时温度也极高,足以发生核聚变。这还不考虑太阳引力,考虑太阳引力(太阳表面引力加速度是地球的28倍),压强可达到28万GPa。
所以说,常规引力下,太阳那么大的水球是不可能合理存在的。
那么,这个体量的水球,就必须是一个理想水球,它才能整体维持成液相的状态。实际题面的本意,本身就是倾向于理想水球的。只不过理想水球在被“释放”的刹那,则需要考虑所有受力情况。

水等离子体化吸收的能量,计算过程如下,不爱看演算过程的可以跳过:

根据水的温度不同(0℃~100℃),水汽化所需的能量约为3.193X10^36J~3.786X10^36J
已知水蒸气加热到2000℃左右,会分解为氢气和氧气。
升温过程中水蒸气比热容降低,加热到临界点,至少需要能量约为:3X10^36J
1摩尔水蒸气分解成氧气和氢气,吸收241.8kJ热量。
可知,所有水蒸汽解体为氢气和氧气,所需的能量约为:1.3433X10^37J
保守估计,这些氧气和氢气加热到电离临界点(接近太阳表面温度6000℃),所需能量约为:2X10^37J
氧气电离两个电子以及氢气电离,需要的能量约为:2X10^38J
总计:这些水从加热,一直到成为等离子态,大约需要2.5X10^38J的能量。

已知,太阳每秒钟释放的总辐射能量为:4x10^26J

那么,太阳原始辐射强度下,等离子体化这些水的时间为:6.25X10^11s,合19818年。

不过这些水为太阳至少增加了70%的质量,如此多的质量下,太阳核心压力和温度升高、核聚变强度和体积都会相应地增加。

如图所见,太阳聚变发生于核心内,温度高达1500万K,气压高达3000亿个标准大气压(核心区外部的压力和压强不足以发生核聚变,所以此时的太阳外部是不会发生核聚变的)。

新增加的70%重量迫使辐射区位置向内部挤压,大量辐射区转化成核心区,会大大增加核心区体积。

已知天狼星是太阳质量的2倍左右,核辐射能力却是太阳的25倍,可知增加70%的质量,太阳至少可以增加10倍的辐射强度。

那么,水等离子体化的时间将缩短到2000年左右(对于裹住太阳的水来说,超过一定极限时,增加的水质量越多,核心辐射越强,水等离子体化的时间反而会缩短)。

一开始,水全部包裹太阳的时候,几乎所有太阳辐射都被水所吸收。

对于此时的地球人来说,太阳是真的被浇灭了。(可见光在水中会衰减,对于厚度达到数十万公里的水来说,地球人已经完全看不见太阳了。)

这个黑暗期长达20年以上,太阳的消失,对于万千生命来说就是世界末日。

绝大部分的动植物都在这20年黑暗中灭绝,人类凭借核工业苟延残喘。

20年的过程中,内部接触太阳的水层直接等离子体化,更外一点分解成氢氧气,再外一点的水汽化。用敏感度高的天文望远镜,能够看到水球逐渐“沸腾”的过程。

沸腾之前,大量的水足以“浇灭”太阳的对流层,甚至“浇灭”部分辐射区(核心区的辐射却会指数增加的)。虽然太阳主要是气体,但这些水也不至于落入太阳内部太深的地方,因为太阳内部的密度高于水的密度。

在水气化过程中,此时的太阳大致会呈现:核心区、辐射层、水层、大气层四层的状态。

在高温作用下,水层会逐渐汽化。不过由于高达数十个G的重力加速度,即便水蒸气全部汽化,致密性也很高。

20年后,直到包裹太阳的水全面气化,大量的可见光从太阳辐射出来,太阳逐渐明亮了起来。

此时,人类可以通过储存的种子,再次让地球焕发生机。

不过,此时人们看到的不再是原来太阳的黄光,而是蓝光。

这是因为,此时太阳质量是原来质量的1.7倍,超过了1.5倍。(低于0.5倍为红光,0.5~1.5倍之间为黄光,大于1.5倍为蓝光)

由于聚变核心区压力很大,温度急剧上升,碳氮氧循环加剧,核心区因温差过大而形成对流。

高辐射压力把恒星撑得更大,体积至少膨胀到当前太阳体积的4倍以上。由于外部温度比较均匀,外部物质反而不再对流(外部氢元素不再被消耗,氧等离子体下沉)。

由于核聚变更加的强烈,太阳寿命反而会缩短30~40亿年,最终只剩下不到10亿的寿命。(增加的水越多,聚变指数加倍,寿命越短。)

随后,太阳的辐射能力每年不断的增加,数百年间,辐射强度就能达到太阳的大小。

大约2000年左右,在氢气和氧气被全部等离子体化以后,太阳的辐射强度已经翻倍增加,一直到曾经辐射能力的10倍以上。

那么地球辐射增加的是10倍吗?

其实并不是,太阳质量增加之后,引力势能发生改变。(太阳质量增大,地球被吸引,近日点的动能+势能=远日点的动能+势能。)

把地球公转近似看成圆周,可得近日点的距离大约为:6.23X10^7km(地球原半径的41.7%,不足以被太阳吞没。当然,如果增加的水体量达到太阳质量的10倍以上,地球就会撞击在太阳上)。

由于近日点辐射面积的增加,可通过面积是长度平方的关系,得到近日点的位置,地球接收到的太阳辐射,激增了4.76倍。

那么比较于旧太阳,地球上近日点的辐射增大47.6倍。

在近日点时,即便有大气层对辐射的反射、吸收等作用,白昼温度依然可以升高到1000℃以上。

水分蒸发,大气层很快消失,地球温度可继续升到高数千度。

地球表面融化,成为一颗熔岩行星。

不过太阳引力的变化引起的混乱,形成混沌效应,行星轨迹会有不可预知的变化,地球极有可能与其他行星发生碰撞。虽然生命会悉数灭绝,但地球运气足够好,依然可能被撞到新宜居地带,演化成一颗新的类地行星。

发生这一切之前,如果人类有能力离开的话,只有一个较短的时间逃离。太阳升温时,平均每1年便能升高1℃,越往后温度升高越快,适宜人类生活的时间可能只有短短数十年。这么短的时间,人类几乎不可能从之前20年的黑暗期恢复过来。

除非这个“事件”发生在人类,真的能星际穿越的时候。

10多亿年后,无论人类是否灭绝,太阳内核坍缩,辐射大量的能量,外部氢元素全面核聚变,演化为红巨星。

氦闪、地球被吞噬,数百万年后,红巨星燃烧殆尽坍缩为白矮星。

不过,题主提到的体积大于太阳,并没有说上限。

如果新太阳总质量超过旧太阳的8倍,太阳晚年坍缩后,剩余质量将会超过钱德拉塞卡极限(1.44太阳质量),它会在超新星爆发后,坍缩为中子星。

如果剩余质量超过太阳的3倍,则会坍缩为黑洞。


总之,加水仅仅只是给太阳加“燃料”而已,太阳内核聚变会更加的剧烈,辐射出更多的能量。

但因为辐射出的大量能量被水大量吸收,人类会“看到”太阳被暂时浇灭。随后太阳再次明亮起来,不可逆转地走向世界末日。

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