天文学家如何确定太阳的结构和组成?

虽然太阳远在1.5亿公里之外,我们没有直接探测过太阳,但通过一系列方法,天文学家能够知道太阳的温度和元素组成。


天文学家如何确定太阳的结构和组成?

太阳是离我们最近的恒星,它不断给地球上的生命提供能量来源。虽然太阳远在1.5亿公里之外,我们没有直接探测过太阳,但通过一系列方法,天文学家能够知道太阳的温度和元素组成。

在太阳的最中心,温度超过1500万摄氏度。而在太阳的外边缘——日冕,那里的温度也能超过100万度。由于这种极端温度,我们很难直接对太阳进行探测。但经过多年的间接的观测,人们对于太阳的一些特征已经有所了解。

太阳的结构

太阳可以简单地分成两大部分,第一部分是太阳的实际结构,而第二部分则与太阳的大气层有关。这些都有助于我们了解太阳的一些情况,包括它的大小、组成和寿命。

天文学家如何确定太阳的结构和组成?

核心

在自身巨大重力的挤压下,太阳核心具有极端的密度、温度和压力。太阳核心的密度可达162克/立方厘米,温度超过1500万度,压力超过3000亿个地球大气压。在这种极端环境中,氢原子核能够互相碰撞发生核聚变形成氦原子核,从而释放出大量的能量,这是太阳的能量之源。另据估计,太阳核心约为太阳半径的五分之一至四分之一(太阳半径约70万公里)。

辐射层

这部分区域约占太阳半径的45%,核心区域产生的伽马光子会在这里会被原子核不断吸收和再发射,光子被四处反弹,无法直接向太阳表面传播。由于这种随机游走的现象,太阳内部的光子需要上万年甚至十几万年的时间才能传播到表面,尽管这点路程最初用光速只需3秒就能走完。

天文学家如何确定太阳的结构和组成?

对流层

这是太阳物理结构的最外层,大约占太阳半径的30%。在对流层中,巨大的热气柱上升到太阳的表面,就像沸腾的水上升到热锅的表面一样。

光球层

这是我们通过肉眼能够看到的太阳区域,它从太阳的表面一直向外延伸400公里。可见光在这一层能够自由传播,它们的离去将会带走太阳的能量,从而照亮地球。

色球层

这一层位于太阳表面上方400公里至2100公里,其温度要比下方的光球层高了几千度,顶端的温度可达2万度。在日全食期间,明亮的光球层被遮住,色球层的彩色闪光就能显示出来。

日冕

这一层是太阳大气的最外层,但这里的温度极高,可以超过100万度。虽然这里的温度极高,但由于密度非常低,热量有限,所以NASA的帕克太阳探测器可以飞到里面进行探测。

那么,天文学家如何知道太阳各层结构和组成的呢?

答案在于光谱分析。在上个世纪初,天文学家还没有办法来确定太阳究竟是由什么构成,太阳的能量来源是怎样的。随着物理学的发展,人们认识到任何的原子都会有特殊的吸收和发射光谱,通过光谱分析,可以确定元素的组成。

在爱因斯坦提出质能方程之后,人们认识到了物质所蕴含的巨大能量。爱丁顿最早提出,太阳的能量来源是氢核聚变。按照目前的估计,已经“燃烧”了46亿年的太阳还能再继续发生氢核聚变长达50亿年。此后,太阳会演变成红巨星,最后核心坍缩成白矮星。如果地球能在太阳的最后阶段幸存下来,地球再也不会是适合生命生存的星球。

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