太陽的能量並不主要來自於氫聚變為氦？

太陽是地球表面絕大多數光、熱和能量的來源，是由核聚變提供動力的。但令人驚訝的是，其中不到一半是氫與氦的融合。圖片版權：public domain

【博科園-科學科普】如果從大量的氫氣開始並把它聚集在一起，在它自身的重力下，它最終會收縮，一旦它輻射出足夠的熱量。把幾百萬(或更多)地球質量的氫聚集在一起，分子云最終會收縮得如此之大，以至於開始在裡面形成恆星。當超過了太陽質量的8%的臨界值時，就會點燃核聚變，形成一顆新星的種子。雖然恆星會將氫轉化為氦，但這既不是最大量的反應，也不是恆星釋放出最大能量的原因。它實際上是核融合，使恆星產生能量，而不是把氫聚變成氦。

部分數字化天空測量與最近的恆星比鄰星到我們的太陽，紅色顯示為中心。雖然像我們自己這樣的太陽類恆星被認為是常見的，但我們實際上比宇宙中95%的恆星更大，在比鄰星的「紅矮星」級上有3 - 4顆恆星。圖片版權：David Malin, UK Schmidt Telescope, DSS, AAO

所有的恆星從紅矮星到太陽到最大型的超級巨星，在其核心的核融合達到4000000 K或更高的溫度。在大量的時間裡氫燃料通過一系列的反應燃燒，最終產生大量的氦- 4。這種聚變反應較重的元素由較輕的元素產生，由愛因斯坦的E = mc2釋放能量。這是因為反應的產物氦- 4在質量上比反應物(四個氫原子核)的質量要低。隨著時間的推移這很重要：到目前為止在它的45億年的生命中，太陽已經通過這個過程失去了大約土星的質量。

從太陽太陽耀斑到遠離我們的恆星拋射物質，進入太陽系是微不足道的核聚變的質量損失，降低了太陽的總質量的0.03%的起始值，損失相當於土星的質量。圖片版權：NASA』s Solar Dynamics Observatory / GSFC

但它的反應方式很複雜，不能同時有兩個以上的物體碰撞和反應也不能簡單地把四個氫原子核放在一起，把它們變成一個氦- 4核。相反需要通過連鎖反應來建立氦- 4。在我們的太陽中有一個過程叫做質子質子鏈，在那裡：

1、兩個質子結合在一起形成一個雙質子:一個高度不穩定的結構，兩個質子暫時產生氦2

2、一小部分的時間,一個-在- 10000000000000000000000000000倍,這雙質子衰變氘,沉重的氫的同位素

3、它發生得如此之快以至於人類只能看到最初的反應物和最終產物，雙質子的生命是如此之小，以至於只能看到兩個質子相互融合或者熔合成一個氘，發射一個正電子和一個中微子

當兩個質子在太陽中相遇時，它們的波函數重疊，從而暫時產生氦- 2：一個雙質子。幾乎總是它只是簡單地分裂成兩個質子，但在非常罕見的情況下，會產生一個氘(氫- 2)。圖片：E. Siegel / Beyond The Galaxy

1、然後氘可以很容易地與另一個質子結合成氦- 3，這是一個更積極的(更快的)反應

2、然後氦- 3可以以兩種方式進行

3、它可以與第二個氦- 3融合，產生一個氦- 4核和兩個自由質子

質子-質子鏈最直接和最低能量的反應方式，從最初的氫燃料中產生氦- 4。注意只有氘和質子的聚變產生氦，所有其他的反應要麼產生氫，要麼從氦的其他同位素中產生氦。圖片版權：Sarang / Wikimedia Commons

或者它可以與已經存在的氦- 4融合產生鈹- 7，它會衰變為鋰- 7，然後再與另一個質子融合以製造鈹8，它本身就會立即衰變為兩個氦- 4核。

一個更高能量的鏈式反應，包括氦- 3與氦- 4的融合，是氦- 3轉化為氦- 4的14%。在更大更熱的恆星中它可以佔主導地位。圖片版權：Uwe W. and Xiaomao123 / Wikimedia Commons

因此這些是四個可能的總體步驟，它們組成了整個「氫聚變進入氦」的過程：

1、兩個質子(氫- 1)融合在一起產生氘(氫- 2)和其他粒子和能量

2、氘(氫- 2)和質子(氫- 1)融合產生氦- 3和能量

3、兩個氦- 3核融合在一起產生氦- 4、2個質子(氫- 1)和能量

4、氦- 3與氦- 4相結合產生鈹- 7，它衰變后與另一個質子(氫- 1)結合產生兩個氦- 4核和能量

注意到一些非常有趣的也許是令人驚訝的，關於這四個可能的步驟：只有第2步，氘和質子融合，產生氦- 3，技術上是氫與氦的融合！

圖片版權：NASA/JPL/Gemini Observatory/AURA/NSF

就像這裡所顯示的那樣，只有褐矮星通過將氫轉化為氦，實現了100%的聚變能量。因為氘聚變(氘+氫=氦- 3)發生在100萬K的溫度下，「失敗的恆星」（沒有被點燃的恆星）無法達到4000000 K，它們的能量只來自於它們形成的氘。

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

來自：Forbes science

編譯：中子星

審校：博科園

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