木星是太陽系里最大的行星,大氣層里90%都是氫氣。這玩意兒在地球上一根火柴就能點著。那么問題來了:如果我們往木星上扔一顆核彈,能不能把它點成第二個太陽?
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燃燒和核聚變,根本不是一回事
很多人一聽到"點燃木星",腦子里想的是火焰、爆炸、熊熊燃燒的畫面。但這里存在一個根本性的誤解:恒星發光發熱,靠的不是燃燒,而是核聚變。
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咱們先說燃燒。你劃一根火柴點燃氫氣,發生的是化學反應——氫分子和氧分子結合,生成水,同時釋放出熱量。這個過程的本質是電子在原子間的重新排列,釋放的能量級別很低。
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一克氫氣燃燒釋放的能量大約是142千焦,聽起來不少,但和核聚變比簡直是小巫見大巫。核聚變是讓兩個氫原子核克服電磁排斥力,撞在一起融合成氦原子核,這個過程釋放的能量是化學燃燒的幾百萬倍。一克氫通過核聚變釋放的能量約為6.3億千焦,是燃燒的450萬倍。
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更關鍵的問題來了:化學燃燒需要氧氣,而木星大氣里氧含量低得可憐,不到0.1%。就算你真的在木星上扔一顆火球下去,那點氧氣燒完之后,火焰自己就滅了。木星上沒有足夠的氧化劑支持持續燃燒,這和把一根火柴扔進純氮氣罐子里是一個道理,壓根點不著。
所以當我們問"木星能不能被點燃成恒星"的時候,真正要問的是:木星能不能像太陽那樣發生核聚變?答案取決于一個非常硬的物理門檻,溫度和壓力。
要點燃核聚變,木星還差80個木星
核聚變之所以難以發生,是因為原子核都帶正電,它們天然互相排斥。兩個氫原子核想要融合在一起,必須克服這種電磁斥力,而能克服它的只有兩樣東西:極高的溫度和極大的壓力。溫度夠高,原子核的運動速度就夠快,動能就能戰勝斥力;壓力夠大,原子核之間的距離就夠近,碰撞的概率就夠高。
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太陽核心的情況是這樣的:溫度約1500萬攝氏度,壓力達到2500億個地球大氣壓,氫原子核在這種極端條件下每秒鐘發生數以億億計次的碰撞,其中極小一部分會成功融合成氦,釋放出巨大的能量。整個過程是自持的,因為聚變產生的能量會維持核心的高溫,讓反應持續下去。
那木星呢?木星核心的溫度大約是2萬到3萬攝氏度,壓力約為4000萬個地球大氣壓。聽起來不低,但和太陽核心比差了整整兩個數量級。這個溫度壓力組合,遠遠不夠讓氫原子核突破電磁斥力的屏障。
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打個比方,核聚變就像兩個人要撞破一堵墻,太陽核心的條件是讓他們以火箭速度對撞,而木星核心的條件頂多是讓他們慢跑,撞上去只會被彈回來。
那木星需要多大才能啟動核聚變?天體物理學里有一個關鍵概念叫"氫燃燒下限",指的是一個天體必須達到的最小質量,才能在核心產生足夠的溫度和壓力來維持氫聚變。
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這個下限大約是太陽質量的7.5%到8%,換算成木星質量,大約是80個木星。也就是說,你需要把80個木星捏成一團,它才能勉強成為一顆最暗淡、最弱小的紅矮星。
真實的木星質量只有太陽的0.1%,差了整整80倍。這個缺口太大了,大到完全沒有任何技術手段可以彌補。你沒法給木星"加質量",因為太陽系里所有行星、衛星、小行星、彗星加起來的質量,也填不滿這個坑。
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褐矮星:差一點就成功的"失敗恒星"
在恒星和行星之間,存在一類很尷尬的天體,叫褐矮星。它們的質量介于13到80個木星之間,不夠大到點燃氫聚變,但又比普通行星重得多。天文學家有時候開玩笑叫它們"失敗的恒星"。
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褐矮星為什么值得一提?因為它們展示了一個有趣的中間狀態。質量超過13個木星之后,核心的溫度和壓力雖然不足以點燃氫,但能夠點燃另一種燃料,氘。氘是氫的同位素,原子核里比普通氫多一個中子,更容易發生聚變。
但問題是,宇宙中氘的含量極低,任何天體里的氘儲量都只能維持幾百萬到幾千萬年的燃燒,之后就徹底熄火了。所以褐矮星只能短暫地閃亮一陣子,然后慢慢冷卻變暗。
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1995年,天文學家在昴星團中發現了第一批被確認的褐矮星,后來又在離我們最近的恒星系統,半人馬座阿爾法星附近,發現了質量只有木星幾倍的褐矮星候選體。這些發現讓我們意識到,宇宙里"差一點成為恒星"的天體其實相當多,木星只是其中一個極端案例。
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如果木星的質量是現在的13倍以上,它就會成為一顆褐矮星,能夠在年輕時發出微弱的紅光;如果達到80倍以上,它就能跨過氫燃燒下限,成為一顆真正的紅矮星。但現實中的木星,質量連褐矮星的門檻都夠不著,它只能老老實實當一顆氣態巨行星。
假設木星變成了恒星,那會發生什么?
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首先,這顆新恒星會非常暗淡。就算木星剛好達到氫燃燒下限,成為一顆質量最小的紅矮星,它的光度也只有太陽的萬分之一左右。從地球上看,這顆"新太陽"的亮度大約相當于滿月的幾十倍,比現在的木星亮很多,但遠遠比不上真正的太陽。它不可能"代替太陽"為地球提供熱量,因為它實在太暗了。
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其次,木星到地球的距離也是個大問題。木星離太陽平均距離約5.2個天文單位,離地球最近時約4.2個天文單位,最遠時約6.2個天文單位。
就算木星變成了和太陽一樣亮的恒星,它傳遞到地球的能量也只有太陽的幾十分之一,因為輻射強度和距離的平方成反比。而現實中,一顆剛夠格的紅矮星亮度本來就只有太陽的萬分之一,再乘上距離因素,它對地球的影響幾乎可以忽略。
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不過,對木星的衛星來說,情況就完全不同了。如果木星變成恒星,木衛二和木衛三這些冰封的世界會迅速升溫,冰層會融化成液態海洋,原本深埋在冰下的潛在生命可能會獲得全新的生存環境。
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