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我要倾尽全宇宙之水,浇灭太阳

图片:Hernan Pauccara / CC0

倾尽全宇宙之水能否浇灭太阳?

昙花再现,昙花一现又再现,此中真意已惘然。

www.ag88.com www.kampaamotukut.com 倾尽全宇宙之水能否浇灭太阳?

——往太阳里加水只能使太阳燃烧得更猛烈,无法使其核聚变停止。

全宇宙的水,那么大的质量,我难道不可以把太阳浇成黑洞吗?黑洞不发光,也可以算作浇灭了!

——你也没有办法把一个正在燃烧的恒星浇成黑洞,再多的质量也不行!

一、为了浇灭太阳,有多少可用之水?

关键词:星际物质】

全宇宙有多少水?计算起来实在太麻烦,我们退而求其次,把题目稍稍修改一下,改成“倾尽全银河系之水能否浇灭太阳?”,看到后面你就会知道,这样修改是不会影响最终结果的。

组成银河系的物质中,恒星里肯定不会有水,那么高的温度,水都分解成氢和氧,并且电离成等离子体了。同样的道理,白矮星、中子星和黑洞里也不可能有水。

那么水在哪里呢?在行星上、在星际物质(星云)里。

我们并不能确定银河系到底有多少行星,以及这些行星有多少是有水的,含水量有多高等等,但我们粗略地知道,行星的质量在银河系中占的比例不高,其中的水,我们就忽略不计了吧。

所以我们只估算星际物质里的水。

星际物质,分为星际气体(含等离子体)和星际尘埃。

星际尘埃的成分,主要是冰、石墨、硅酸盐的固体微粒,因此星际尘埃里是有水的。不过星际尘埃在星际物质里占的比例不到 10%,所以我们把这一部分水也忽略掉。

然后是星际气体,星际气体包含如下类型:

除了最上面的分子云以外,下面的 5 种,因为温度太高及密度太低,物质都是以等离子体(电离氢)或单原子形态存在,因此也不存在水。

分子云中,原子结合成了分子。在原子们相互结合的时候,氧原子虽然理论上可以和大多数种类的其它原子结合,也可以两两结合成氧气分子,但是——

由于宇宙中绝大多数原子都是氢原子(占宇宙总质量 75%,或原子数量 90%以上),在星云这样低密度的地方,一个原子遇到另一个原子都很难,所以它们没有机会挑三拣四——虽然氧和碳结合成的二氧化碳分子比氧与氢结合的水分子更稳定,但因为氧原子很少能有机会遇到碳原子,所以它最大概率还是首先遇到一个氢原子,结合成羟基自由基,然后再遇到一个氢原子,结合成水。

因此我们估计,星云中的氧,大部分会与氢结合成水分子。如果星云附近有恒星照射,其中一些水分子可能会被紫外线光解,变回游离的氧原子,重新开始寻找伴侣的历程。而二氧化碳一旦形成,由于其键能很高,紫外线通常无法将其分解,因此如果一个星云的历史很长,其中的水分子比例可能会略微降低,而二氧化碳则会逐渐的累积。

从宇宙元素丰度表中可知,氧元素在星云中大约占 1%质量??悸堑剿肿颖妊踉又啬敲匆坏愕悖ㄕ饨黾铀肿又柿空急龋?,同时又有一部分水分子光解,一部分氧原子与碳、铁、硅等元素结合了(这将降低水分子质量占比),综合以上两条考虑,我们估计水分子占分子云质量的比例也是 1%。

分子云在银河系星云中占的体积不到 1%,但由于密度比别的星云高得多,所以分子云的质量占了星际物质的大约 50%。而所有星际物质占银河系质量大约 10%。

已知银河系的质量大约为

,其中

为太阳的质量。为了简化计算,我们取银河系质量为

。

利用上面的数据,现在我们可以计算得到:

这比银河系核心的超大质量黑洞(

)还要大 100 多倍。

所以,如果你有本事把全银河系的水都浇进太阳里,太阳将会坍缩为一个巨大的黑洞,而黑洞是不发光的,你可以宣称太阳被浇灭了。

既然仅仅一个银河系的水都足以让太阳变成黑洞,那么不用计算也知道,全宇宙的水如果浇进太阳,必定会变成更大的黑洞。

二、如何才能把这么多水浇进太阳?

用大量的水把太阳变成黑洞,看上去挺美!

然而你的想法太天真了。因为——

如何把水浇进太阳,才是真正的大难题!

1、依靠重力……

关键词:耗散机制】

你可能会想,这还不简单嘛?太阳引力那么强,我们把水运到太阳附近,它自己就会掉进太阳。

……

那么地球怎么不掉进去?

——因为地球在轨道上环绕太阳公转,公转速度导致的(虚拟)离心力与太阳引力平衡,所以地球不会掉下去。

——嗯,我让地球转慢点,离心力不就无法平衡引力了吗?

地球转慢一点点就能掉进太阳?

在地球现在的位置给它施加影响,让它稍微转慢一点,地球确实会开始向太阳靠拢。但是,一旦轨道下降,就意味着地球绕太阳转动的半径减小,根据角动量守恒定律,地球的公转角速度会加快。最终的结果,地球将以一个比现在更扁些的椭圆轨道绕太阳公转,轨道远日点与现轨道相同,近日点比现在离太阳更近。

要让地球掉进太阳,必须让地球轨道近日点低于太阳表面,或者说,让地球在太阳表面附近时的线速度低于太阳表面的环绕速度,那么要怎样才能实现这一点呢?经过计算,我们需要将地球现在的公转角动量拿掉 93.2%以上,或者说,要让公转速度降到现在的 6.8%以下。这个工程量可以说是非常大了。

这个问题也可以从能量的角度来理解。当地球向太阳靠近的时候,地球在太阳引力场中的势能降低,根据能量守恒定律,降低的势能必将转化为动能,地球速度会加快,一不小心就超过了太阳的环绕速度……

前面提到,你用来浇灭太阳的水,是辛辛苦苦从银河系各地的星云中搜集来的,它们中的大多数,原本离太阳有数万光年之远。

不管你用了什么样的洪荒之力,把这些水从数万光年(几十亿亿公里)开外扔向一个直径只有一百多万公里的星球,这恐怕比一枪打死 800 里外的鬼子难度要高……十多个数量级。只要前进的方向有那么一点点偏差,数万光年的距离就会导致这个角动量非??晒?,轻则会让它们像奥陌陌一样,以双曲线轨道到太阳系逛一圈就一去不复返,误差稍大的则根本进不了太阳的引力圈(半径约 2 光年)。

另外即使你确实瞄准了,运动路径附近的其它天体的摄动,也可能让你的水球偏离既定轨道。

就算你真的把这些水丢进了太阳系,并让它们留下而不再离去,它们基本上也会在某条轨道上绕太阳公转,撞上太阳比买彩票中头奖还难……大概也是十多个数量级。

【引申讨论】

经常有人问:宇宙中那么多星星,为什么很少相撞的?

大多数回答只提到,宇宙有多空旷,天体相距有多遥远……

然而仅仅这样回答是不够的。

因此有人继续追问:在银河系核心、球状星团这些地方恒星如此密集,引力那么大,为什么星球也不会三天两头频繁相撞,星团也没有在引力作用下坍缩?

从前面的分析可以了解到,要让两个天体相撞谈何容易?虽然天体间的引力会想方设法把它们拉近,但拉近则必然释放引力势能并转化为动能,当动能过高,也就是速度过高,超过天体之间的环绕速度,它们就不会撞到一起。

要让天体合并,或者让一个星团、星系坍缩,必须要有能量耗散机制,将天体的动量和动能移除,它们才有机会坍缩。

这也可以从热力学的角度去理解:如果把一个星团想象为气体,把星球想象为气体中的分子,那么星球的运动就类似于气体分子的热运动,而星球之间的引力,可以近似地类比为气体所受压力(这点差异稍大,因为引力是随距离衰减的)。在压力一定的情况下,如果不能让气体降温,气体就难以收缩。

对于天体,移除其动量和动能的机制,主要有:

1、通过引力弹弓机制,将一个天体的动量(动能)转移到另一个天体上。例如一对双星经过黑洞(或大质量恒星)附近,其中一颗恒星获得额外动量,被高速弹出,另一颗则失去动量坠入黑洞。对于恒星级别的天体而言,这是最主要的碰撞机制。

2、当两个星球过度接近,其中一个进入了另一个的大气层,大气的摩擦会降低它们之间的速度。例如坠入地球的流星体,它们在进入大气层之前的速度,绝大部分在 12Km/s 到 72Km/s 之间——这大大超过地球的第一甚至第二宇宙速度,按理它们应该与地球擦身而过而不会坠毁,但因为空气的摩擦,它们被减速、最终坠毁。

3、当两个天体非??拷?,潮汐摩擦作用也可能降低天体之间的相对速度。对于星球来说潮汐作用相对较小,通常需要两颗星球相互近距离绕转——这样潮汐可以长期反复地作用。但对于大型的恒星系统,例如星系的合并,潮汐作用则是最重要的因素。

4、两个大质量天体异??拷?、高速绕转时辐射的引力波,也可以消耗双方的动能。但因为引力波(相对于天体质量而言)非常弱,所以这种方式对普通天体效率极低,通常只发生在致密天体(黑洞或中子星)的合并中。

2、对准太阳,喷!……

关键词:爱丁顿光度极限】

看了上一节,题主也许会嗤之以鼻:

——表给我扯那么远,既然我有本事搞到那么多水,我也有本事站在(悬浮在)离太阳很近的地方,用一个大号水龙头,把水直接喷进太阳里面去。

——别问我水龙头的水从哪里来的,水龙头连在水管上,水管另一端接在哪里我也不知道。反正我这水龙头一开,全银河系的水都从里面出来了。

(答主我只好猜测,也许题主把银河龙王请来了?)

……

好吧,我们就让题主任性一把。

但是,你确定你能喷进去?

先试试吧?

……

好像还行,以太阳目前的质量,喷点水进去似乎没什么难度。

太阳得到这额外的水,质量会变大。

质量增加了的太阳,不但不会熄灭,反而会燃烧得更旺盛——因为水是由氢和氧组成的,氢可以直接作为太阳核燃料,而当太阳变大后,在将来氢用完时还可以燃烧(聚变)氧来获得能量。题主这哪里是在灭火?分明是火上浇油嘛!

燃烧得更旺盛的太阳,太阳光的辐射压和太阳风也会更强。

随着喷入的水越来越多,太阳质量越来越大,当喷入了 100 多个太阳质量的水之后,题主贱贱地(划掉)渐渐地发现有点不对劲了。

下面一段文字摘自维基百科:

爱丁顿光度(英语:Eddington luminosity)或者爱丁顿极限(英语:Eddington limit),是吸积天体所能达到的最大光度。天体在吸积周围介质的同时发出辐射,当吸积物质累积到一定程度,辐射压(光压)会阻止物质进一步下落。此时天体作用在一个粒子上向内的引力与其受到向外的辐射压力达到平衡。平衡的状态被称为流体静力平衡。当一个恒星超过爱丁顿光度,它将从它的外层发起非常强烈的辐射驱动的星风。由于大多数恒星都远低于爱丁顿光度,它们的星风多是由较不强烈的吸收线驱动[1]。

题主发现,当太阳质量达到 120~150

以上之后,水龙头也不管用了,强烈的辐射和太阳风硬生生地把题主喷过去的水给吹了出来!

题主灵机一动,辐射压力大还真不是问题!我可以用高压水泵,把水加速到……接近光速,强行射入恒星!

(这样做真的好吗?如此高压、高速的巨大能量,水不会被加热到分解吗?)

以(伪)科学的名义,我们暂时假定题主的水能扛住各种高压高速产生的热量,或者题主的水泵有神奇的力量,它能让水只获得动能而不附带上热能……

现在题主发现,水还真喷进太阳去了!

然并卵,更猛烈的太阳风,迅速从太阳里吹出更多物质,太阳的质量一点也没有增加!

当恒星质量达到某个值后,其光度将达到爱丁顿光度极限,这时它的辐射压将超过恒星外层物质所受重力,即恒星将被自己的恒星风吹解体,恒星质量无法继续增加。

因此,试图通过向恒星里添加物质来将其变成黑洞是不可能的。下面这句许多天文爱好者经常谈论的话,其实是不对的,即:

“当天体的质量超过 XX 之后,它将坍缩为黑洞?!?/p>

因为,通过增加质量的手段,没有任何机会将一颗正在燃烧的、核聚变原料尚未耗尽的恒星变成黑洞!

即使两颗超大质量恒星高速相撞,使其合并成短暂超过爱丁顿光度极限的恒星,但它也只是聚变得更加猛烈,并通过辐射迅速流失质量,而不会变成黑洞。

想要大质量恒星坍缩成黑洞,唯一的办法就是耐心等待它的聚变燃料耗尽。

三、让水先变成黑洞,再用它来摧毁太阳?

关键词:第三星族、质子 - 质子链反应、碳氮氧循环】

在经历失败的短暂消沉之后,题主越挫越勇,想到了一个绝妙的(作弊)办法:

——直接加水看来是不能浇灭太阳的,那么我可以先把这些水合并成一个黑洞,然后再用这个黑洞吞并太阳,这样虽然比较间接,但还是可以宣称用水把太阳浇灭了。

说干就干,题主开始在太阳系附近堆砌黑洞。

燃鹅,题主很快发现此路不通!

当这个水球的质量达到恒星质量的时候,它自己也变成了一颗恒星!然后又陷入了上一节那样的死循环——他无法让一颗正在燃烧的恒星变成黑洞!

……

这时,一个神,啊不,一个大神(伪),出现在知乎上,给题主若干神谕。

题主心领神会,买来一万亿亿亿亿亿亿台饮水净化器(大雾),买来离子交换设备,他要把这些水都净化成完全不含碳元素、氮元素的超纯水。

题主这是要干啥呢?

我们来了解一下背景知识。

A、我们的太阳,通常被称为第二代恒星,但实际上,它可能至少是第三代恒星。

太阳里除了大约 3/4 的氢、1/4 的氦以外,还有大约 2%的重元素,天文学家称这些重元素为“金属”,恒星的重元素含量称为“金属量”。

太阳这类含有不少“金属”的恒星,被称为第一星族恒星,它们大部分集中在银河系的旋臂里。

银河系中,还有一些恒星,例如大部分球状星团、银河系核球以及银晕里的恒星,其金属量比第一星族恒星少得多,被称为第二星族恒星。椭圆星系的恒星也大部分是第二星族的。

我们知道,宇宙大爆炸时,只产生了氢和氦,以及微量的锂,比锂更重的元素都是在上一代恒星里面通过核聚变合成的。

因此,金属量比较低的第二星族恒星,其实是比第一星族恒星辈分更高的上一代恒星。(很多人觉得天文学家把辈分低的叫第一星族,辈分高的反而叫第二星族太不合理了,但这是个历史遗留问题,我们就不展开讨论了。)

然而,我们说第二星族恒星是第一代恒星,可能不太准确,因为按照前面关于宇宙大爆炸的理论,最早的恒星应该除了氢、氦、锂之外,完全没有其它任何元素。因此有人提出,第二星族恒星其实不是第一代,真正第一代恒星是被称为“第三星族”的恒星,它只有氢氦锂,完全不含更重的元素。

然而天文学家直到今天,也没有在宇宙中发现任何一颗第三星族的恒星。

于是有人就提出一个理论,认为宇宙早期的特性,导致当时形成的恒星都非常巨大——恒星越大演化越快——于是这些第三星族恒星都已经寿终正寝了,它们制造的金属,成为后代恒星中金属的来源。

然而,完全没有金属、质量巨大这两个属性,除了创造出很多短命的巨大恒星外,还可能鼓捣出一种大怪物:

某些宇宙早期星云收缩后形成的大质量星球,在没有经历恒星阶段的情况下,直接坍缩成了黑洞!

这是怎么回事呢?不是刚刚才说过,在核燃料没有耗尽的情况下,恒星不可能成为黑洞的吗?

B、对于第一、第二星族的恒星,确实不会在核燃料耗尽前变成黑洞,但第三星族不受此限制。

质量较小的恒星,比如太阳,其中的氢是通过一种被称为“质子 - 质子链反应”(PP)的方式聚变为氦的。

第一步,氢 1(氕)聚变为氘:

第二步,聚变出氦 3:

第三步分支 1:

第三步分支 2:

第三步分支 3:

第三步分支 4:

PP 反应虽然门槛较低(最低启动温度 400 万度),但有一个严重的瓶颈,即第一步,它依赖于吸热的β正电子衰变,将一个质子转变为一个中子,事实上,两个质子要转变为一个氘核,平均需要等待 10^9 年。在恒星里之所以有快速的核聚变,完全是因为其质子基数巨大。

因为瓶颈的制约,PP 反应速度难以大幅度提升,当恒星质量特别大的时候,PP 反应产生的热量就可能无法对抗引力坍缩。

C、对于第一、第二星族的恒星,当质量较大,导致核心温度超过 1600 万度时,会启动另一种核聚变模式——碳氮氧循环(CNO cycle)。

碳氮氧循环还有一些较少见的分支反应,这里就先不列出了。

在反应中,碳、氮、氧并不会被消耗减少而是循环利用,它们的作用类似于化学反应中的催化剂。

碳氮氧循环虽然启动门槛较高,但因为没有瓶颈,因此可以进行得非常迅速,并且该反应对温度极其敏感,温度上升会大大加快反应速度。

正是因为碳氮氧循环的存在,使得恒星在质量增加时会因反应过于剧烈出现爱丁顿光度极限而不是变成黑洞。

然而,对于第三星族星来说,因为没有任何一点碳、氮、氧元素的存在,因此无论质量多大、核心温度多高,都无法启动碳氮氧循环。

没有了碳氮氧循环所导致的质量上限,第三星族星在形成时,可以大得令人发指!

因为缺少碳氮氧循环加持,个别质量大得变态的第三星族星,如果 PP 反应产热无法抵抗重力,甚至连三氦过程(氦聚变成碳的反应)也扛不住重力,就只能直接坍缩为黑洞了。

此处需要说明一下:关于第三星族星是否真的有可能直接坍缩成黑洞,天文学界尚有争议。有人认为,三氦过程可以支撑恒星一段时间,随后三氦过程合成的碳就可以启动碳氮氧循环】

看到这里,想必大家都明白了,题主这是要通过去除水中的碳、氮元素,制造一个类第三星族星(题主的这颗星虽然有氧,但没有碳氮,仍不能启动碳氮氧循环),然后让它直接坍缩成黑洞??!

于是题主相信,马上就可以靠这个用水制造的黑洞,摧毁太阳了。

……

然而,尽管题主做了那么多准备,最终还是失败了……

原来题主和那位献计的知乎大神忽略了一个事实:

D、前面提到,因为缺乏碳和氮,虽然有氧,恒星也无法启动碳氮氧循环,这是有问题的,因为在碳氮氧循环中还有个分支(氧氟循环),在实际恒星中通常占比不高(因为门槛比主分支更高),但如果一个恒星太大,这个分支将不可忽视。

一个由水构成的星球,不能直接通过碳元素来启动碳氮氧循环,但是当质量进一步增大的时候,可以先经由氧启动氧氟循环,然后再经过一些分支反应合成出碳和氮,最后实现完整的碳氮氧循环。

其路径如下:

以上为从氧 16 启动的完整的氧氟循环。

以上为从氧 16 出发,合成出碳、氮的反应。

因此一颗恒星即使没有碳和氮,只要有氧的存在,依然可以发生碳氮氧循环和氧氟循环,用水制造黑洞的路线是不通的。

……

买净水设备的数以万亿亿亿亿亿亿计的巨款打了水漂!想到这,题主心里一口气提不上来,就……

◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆四、题主的一个梦

关键词:史瓦西半径、黑洞宇宙模型】

题主就做了一个梦。

在梦中,他算了一道题。

,这么多的水,如果变成黑洞,其史瓦西半径为:

这比土星公转轨道(约 14.33 亿公里)略大一点。

这让题主联想到了关于宇宙的一个理论:“黑洞宇宙学说”。

黑洞宇宙模型认为,我们的宇宙,从外面看其实是一个黑洞(一个在内部没有经历坍缩,没有奇点的黑洞?。。。?。

它的理论依据是,根据我们观测到的宇宙可能的质量(依据宇宙密度估算),计算其史瓦西半径,大约与可观测宇宙的尺寸相等?!居行巳さ亩琳呖梢匀ノ倏扑阉鳌?strong class="ycie">Black hole cosmology”词条?!?/p>

题主心想:

我只需要把这些水送进太阳周围半径不超过土星轨道半径的球体空间内,不需要真的送进太阳,那么它们合起来的质量就会把这个空间变成黑洞!而这个黑洞会完整地包含了太阳,因此我们从土星轨道以外的空间看来,太阳算是被浇灭了!

随后他着手把水球一个又一个地送进土星轨道以内。

当水球比较多的时候,会有一些被复杂的引力作用弹射出来。不过这没有难倒题主,他请来十万天兵天将,守候在土星轨道外,每弹射出来一个就又强摁回去。

最后真的就造出了一个没有经历内部坍缩、没有奇点的黑洞?。。。?!

这样真的可以吗?

……

“喂!醒醒,起来搬砖了!”

题主揉了揉眼睛,醒了,嘴里还嘀咕着:

这样真的可以吗?

真的可以吗?

可以吗?

吗?

……

这样真的可以吗?????

题主不知道。

其实答主也不知道。

因为天体物理学家说:我们对视界之内的物理学一无所知。

……

各位读者,你们知道答案吗?

◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆

【注意:黑洞宇宙学说并非主流学说,请读者审慎评估其科学性。

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