这是个有趣的问题,也是个枯燥的问题,如果没有科学兴趣或科普情结的朋友,对诸如此类问题不会感兴趣。回答这种问题,我知道看的人很少,但作为科普作者,尤其是偏向天文的科普作者,见到如此问题就忍不住还是说一下。
物体引力大小遵循牛顿万有引力公式:F=GMm/r^2,其中F为引力大小,单位为N(牛顿);G为引力常数,约等于6.61*10^-11N/m^2/kg^2;M和m为引力相互作用的大小质量物体,单位kg(公斤);r为太阳与地球之间的平均距离,单位m(米),约为1.496*10^11m(一个天文单位)。
这个公式所包含的意义是:万有引力大小是与物体的质量和相互作用的距离密切相关的。就是说引力大小与物体质量成正比,与作用双方物体的距离平方成反比,物体的质量越大引力就越大,相互作用物体双方距离越远,引力就会呈数量级衰减。
有了这个公式,我们就可以计算出天体之间的引力和天体本身的重力了。
现在我们来看看太阳相对地球的引力有多大:
太阳质量约为1.989*10^30kg,地球质量约为5.972*10^24kg。根据万有引力公式,可以计算出太阳与地球之间的引力约为3.542×10^22N(牛顿)。
天体表面引力表现为重力,计算公式为g=GM/R^2。这里的g为重力加速度,单位m/s^2(米/平方秒);G还是引力常数,数值同上;R为天体半径,单位m。
太阳半径约为696300000m,根据这个公式,可以计算出太阳表面重力加速度g约为275m/s^2,地球表面重力加速度为9.8m/s^2,太阳表面重力加速度是地球约28倍。
现在我们来了解一下太阳每天损失的质量。
所有恒星都主要由氢和氦等化学元素组成,其中氢和氦是最主要元素,占据了所有恒星98%以上的质量。太阳的元素比例按质量计算:氢约占71%,氦约占27%,其他各种元素加起来不到2%。恒星在主序星阶段,就是稳定燃烧阶段,都是由于核心在高温高压条件下,持续不断的发生着氢核聚变,由此产生巨大的能量辐射,维持着恒星的稳定。
太阳核心温度约1500万摄氏度,压力约3000亿个大气压。在这种条件下,氢原子外层电子被剥离,暴露出原子核,原子核与原子核被压缩挤到了一起而发生融合,这就是氢核聚变。简单地说,就是由4个氢原子聚合成一个氦原子。
在氢核聚变过程中,约有0.7%的质量亏损,这些质量就转化为能量辐射,让恒星在辐射压的抵御下,维持住整个星球巨大质量向内收缩的压力,保持者平衡,并且源源不断的向太空辐射出光和热等能量。
科学家们根据监测到的太阳辐射总能量,测算出太阳每秒钟约有6.2亿吨的氢,通过核聚变转化为约6.157亿吨的氦,其中有约430万吨的质量亏损,转化为能量辐射。根据爱因斯坦质能转换公式E=mc^2,即能量等于质量乘以光速平方计算,太阳每秒钟辐射出来的能量约为3.9*10^26J/s(焦耳/秒或瓦)。
那么根据太阳每秒质量消耗量,每天86400秒辐射出去的能量,就减少了太阳约3715亿吨的质量。由于引力大小是与质量成正比的,因此质量减少,引力就相应减小。根据引力公式测算,每天太阳因质量减少的引力减少非常小,只相当现有引力的百亿亿分之一。
但每天持续消耗累积起来会不会对太阳引力造成巨大影响呢?
科学预测,太阳这种质量的恒星寿命约为100亿年,现在太阳年龄已经约50亿岁了,还有50亿年就会寿终正寝。根据目前核聚变的质量损失计算,50亿年后太阳总质量约减少6.8*10^26kg,差不多有114个地球质量。这个质量对于人类来说,看起来还是蛮吓人的,但相对太阳总质量1.989*10^30kg来说,只占约0.034%。
也就是说,50亿年后,太阳的质量将比现在减少0.034%。根据引力公式测算,50亿年后减少质量后的太阳引力大小为:与地球相互作用的引力约为3.51*10^22N,表面重力加速度约为271m/s^2。这样太阳因减少质量导致的引力损失约为1%,表面重力加速度损失约为现在的1.5%。
这种衰减可能会对地球轨道和公转周期有较轻微影响,但相比太阳晚期演化灾难来说,完全可以忽略不计。
太阳演化晚期,会变成一个红巨星,直径将在现在基础上扩大200倍左右,也就是膨胀到地球轨道附近,地球很可能会被烈焰吞噬或烤焦。随着太阳膨胀得越来越大,外围气体将渐渐飘散到太空中,最终在核心留下一颗致密得白矮星。
这是太阳的质量损失可达40%左右,各大行星如果还能够侥幸存在的话,已经漂流到更远的轨道,甚至称为流浪行星了,飘荡在接近绝对零度的黑暗深空了。
因此,到了太阳演化末期,所谓因燃烧质量减少的引力损失可以完全忽略,终极灾难才是令人可怕的。不过那时的地球早就没有人类和任何生命了,人类如果侥幸没有灭绝,早就实现星际移民了。对此,你怎么看,欢迎讨论。
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