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光從太陽核心抵達太陽表面要多久?科學家:時間久到令你難以想象
2023/01/08

為什麼太陽能夠穩定持續地釋放出大量的光和熱?這是一個困擾了科學界很長一段時間的問題,直到進入20世紀之后,科學家才發現,原來是太陽核心的核聚變反應給太陽提供了能量,這也就意味著,太陽并不是一個通體都在燃燒的大火球,而它所發出的光和熱,其實是來自其核心區域。

那麼,光從太陽核心抵達太陽表面要多久呢?已知太陽的半徑約為69.6萬公里,光速大約為每秒30萬公里,據此我們似乎可以簡單地計算出,光大概只需要2.32秒就可以完成這段旅程。

然而實際情況卻并不是這樣簡單,科學家告訴我們,光從太陽核心抵達太陽表面,需要的時間久到令你難以想象,下面我們就來聊一下這個話題。

太陽核心的核聚變主要是「質子-質子鏈反應」,這是由大量的質子(質子也就是氫原子核)產生的一系列核反應,其過程可以簡單地描述為,質子和質子聚合成氘原子核,氘原子核分別與另一個質子聚合成氦-3原子核,然后兩個氦-3原子核聚合成一個氦-4原子核,并釋放出兩個質子。

「質子-質子鏈反應」釋放出的光全部都是頻率極高、波長極短的伽馬射線,然而從太陽光譜我們可以清楚地看到,在太陽向宇宙空間中釋放出的電磁輻射之中,根本就沒有伽馬射線,它們中的絕大部分都是比伽馬射線頻率更低、波長更長的紫外線、可見光以及紅外線。

我們都知道,光子的能量與其頻率是正比例關系,這就說明了,在光從太陽核心抵達太陽表面這個過程中,其能量出現了大幅度地衰減,為什麼會這樣呢?原因就是,太陽核心區域的物質密度太高了。

在自身引力的「壓縮」下,太陽的密度按從外到內方向是不斷增大的,太陽的質量占據了太陽系總質量的大約99.86%,其自身引力比地球強得多,以至于太陽核心的密度可以高達每立方厘米150克,與之相比,我們地球核心的密度卻只有每立方厘米10. 7克。

在物質密度如此高的環境中傳播的任何光子,都將很快地被致密的物質吸收,當某個粒子吸收了光子之后,其本身的狀態就會變成「激發態」,由于這種狀態是不穩定的,因此粒子很快就會退出「激發態」,這也被稱為「退激」,在「退激」的過程中,粒子會釋放出一個光子。

而在此之后,這個光子很快又會被其他的粒子吸收,當這個粒子「退激」之后,又會釋放出一個光子,就這樣,太陽內部核聚變產生的光子在傳播過程中,會不停地被吸收、釋放。

假如我們鎖定其中一個光子,就會看到它像一個彈珠一樣在粒子之間不停地「彈來彈去」,而在這個過程中,光子的能量也會持續降低,以電磁波的角度來講就是,其頻率不斷降低,波長不斷變長,而這也正是太陽光譜中沒有伽馬射線的原因。

太陽的核心反應區包括了從太陽中心位置到0.25個太陽半徑的區域,在此之外還有一個輻射區,其范圍包括0.25至0.86個太陽半徑,這兩個區域中的物質密度都相當高,光子在其中的「平均自由程」僅為0.1毫米到1厘米,也就是說,光子平均每前進0.1毫米至1厘米,就會撞上其他的粒子,并被其吸收。

只有當光子抵達更外側的對流層之后,光子前進的效率才會大幅提升,這主要有兩個原因:1、對流層的物質密度更低;2、對流層中的物質可以通過對流的方式快速上升到太陽表面。

需要注意的是,粒子在「退激」后釋放的光子,其方向是隨機的,這無疑使得光從太陽核心抵達太陽表面的旅程變得更加漫長,消耗的時間也更多,具體是多少呢?根據科學家的估算,這需要10萬至100萬年的時間。

不得不說,如此漫長的時間是令人難以想象的,沐浴在陽光之下的我們幾乎不會意識到,這些來自太陽的光子都曾經有一段艱辛的旅程,在跨越了至少10萬年的時間之后,它們才給我們帶來了溫暖和光明,或許這就是宇宙的浪漫吧。

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