如果向太阳的核心注入相当于木星体积 1000 倍的水,太阳会熄灭么?


不仅不会熄灭,反而会“火上浇油”。

第一,为什么会“火上浇油”?

木星的体积大约

立方千米,太阳的体积大约

立方千米,1000 倍木星的体积大约就是太阳的体积。

太阳的能量来自于其核心的核聚变反应,主要是氢核聚变成氦核,其过程首先是,两个氢核

融合,形成一个氘核

,释放一个正电子

和一个中微子

然后,形成的氘核

再与一个氢核

结合,产生一个氦 -3 核

和一个伽马射线光子

两颗氦 -3 核

融合,形成一个氦 -4 核

并释放出两个质子

整体的核反应过程就是:

,如下图所示。

太阳内的核聚变反应

有四个氢核最终融合成一个氦 -4 核,并释放出两个正电子,两个中微子和两个伽马射线光子,质量亏损产生的能量以光和热的形式从太阳表面辐射出去。其中,释放的正电子会很快与电子湮灭,产生额外的光子;中微子几乎不与物质相互作用,它们会直接逃离太阳;伽马射线在太阳内部经过无数次散射和吸收再辐射,逐渐降低能量,最终以光子的形式逃逸出太阳表面。

当把水加入到太阳核心后,无疑是给这个核反应过程“火上浇油”。

每个水分子包含两个氢原子和一个氧原子,向太阳核心注入水,相当于给上述的核聚变反应增加了大量的氢核。对于氧原子,它们会失去电子,成为高能离子。这是因为太阳核心的超高温和超高压(温度约为 1500 万摄氏度,压力约为 2500 亿个大气压)会使得氧原子的电子获得极高的动能,进而被激发到高能态,同时,粒子之间的强烈碰撞,也会使得电子逃离原子。

所以,在给太阳核心注水后,太阳能量输出会大幅增加,以至于覆盖整个电磁光谱,太阳会发出更多的可见光,热量,X 射线和伽马射线等。

第二,注水后的太阳会变成什么样子?

既然加水是对太阳的核聚变反应的火上加油,那么太阳会变得多亮?

这就要用到质光关系[1],它表示恒星光度与质量之间关系的方程式,即

其中,

是太阳的质量,

是太阳的亮度,1 <

< 6,对于太阳的情形,

可以取 3.5。

木星体积 1000 倍的水的重量约为:

而太阳的质量为:

代入到质光关系中可得:

也就是说,注入水后,氢核作为“燃料”参与到了核聚变反应中,氧原子也变成高能粒子在太阳内部无数次的散射并辐射,太阳的亮度会是现在亮度的 7.37 倍。

这对地球上的生命是致命的,因为地球将接收到大约 7.37 倍的太阳辐射,这将导致快速的全球变暖,地球上的水快速蒸发,和大规模灭绝。

由于太阳的辐射大幅提升,太阳系的宜居带也将向外移动,使得火星或者土星轨道比地球更适合生命。

按照题目,注水后的太阳,质量大约变成了原来太阳的两倍。而天狼星的质量大约是目前太阳的两倍,可以作为注水后太阳的参考模型。

天狼星和太阳的对比,图来自 wiki

天狼星,距离我们 8.6 光年,质量约为太阳的 2.06 倍[2],是“夜空中最亮的星”。注水改造后的太阳大约会是 A4 或 A5 型恒星,而且太阳会加速变成红巨星(几亿年),而不是现在作为 G2V 黄矮星还有大约 50 亿年的寿命。


因为回答了几个 @知乎科学 举办的 脑洞发问局 的问题,不少评论( @云海看星辰@二阶连续可导@坏了的 venture@讣告@温水煮呆蛙 )在讨论,这些脑洞问题没有意义。这里一并做一下解释:

很多物理公式都是基于大量实验观测数据或者理论推导,当这样一个单一的公式冷冰冰的摆着大家面前的时候,是抽象的,是很难产生兴趣的,甚至是枯燥的。我回答喝提出这些脑洞问题的初衷之一,是希望通过一个个有趣的脑洞问题,把这些本身抽象化的公式,实例化,趣味化,帮助大家接受。

比如,上面这样一个完全不可能的脑洞问题,就向大家传递了一个抽象的物理公式:质光关系。如果真的有本物理书摆在你面前写了质光关系,你可能看都不看一眼,但是因为有了这样一个有趣的题目,至少你看了这个公式,甚至了解了这个公式是干什么的。

其他脑洞问题,如果大家感兴趣,可以看这些:

这个回答通过一个脑洞问题,解读了屈服强度,体积弹性模量,体积热膨胀系数,终端速度等

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