Theo một nghĩa nào đó, toàn bộ năng lượng của mặt trời không bao giờ có thể cạn kiệt. Các nhà khoa học cho biết tuổi thọ của mặt trời là khoảng 10 đến 11 tỷ năm. Điều này dựa trên tốc độ phản ứng tổng hợp hạt nhân gây ra bởi áp suất và nhiệt độ lõi của một ngôi sao có khối lượng bằng Mặt trời, từ đó tính toán tốc độ tiêu thụ nhiên liệu và thời gian cần thiết để nhiên liệu hydro trong lõi được tiêu thụ hết, từ đó tính ra tuổi thọ của nó.
Tất cả các ngôi sao sẽ ngừng phản ứng tổng hợp hydro khi chúng tiêu thụ hết nhiên liệu hydro trong lõi của mình, do đó kết thúc giai đoạn chuỗi chính và bước vào giai đoạn tiến hóa muộn không ổn định.
Lưu ý rằng điều được nói đến ở đây là sự suy giảm năng lượng ở "lõi mặt trời", chứ không phải sự suy giảm năng lượng ở toàn bộ mặt trời. Nghiên cứu cho thấy phản ứng tổng hợp hạt nhân của mặt trời xảy ra ở lõi, chiếm một phần tư bán kính của mặt trời, chỉ chiếm một phần nhỏ trong lõi của mặt trời khổng lồ và chỉ sử dụng nhiên liệu trong khu vực đó.
Nguồn năng lượng của Mặt trời Năng lượng của Mặt trời, giống như năng lượng của tất cả các ngôi sao, đến từ sự hợp nhất các hạt nhân hydro trong lõi của nó. Nghĩa là, do áp suất hướng tâm hấp dẫn được tạo ra bởi khối lượng khổng lồ của ngôi sao, phần lõi hình thành trạng thái nhiệt độ và áp suất cao khoảng 15 triệu độ và gấp 300 tỷ lần áp suất khí quyển của mực nước biển Trái Đất. Trong trạng thái này, các electron bên ngoài hạt nhân hydro bị đẩy ra xa, các hạt nhân hydro tiếp xúc va chạm dữ dội và hợp nhất với nhau, và quá trình 4 hạt nhân hydro hợp nhất thành một hạt nhân heli vẫn tiếp tục diễn ra.
Hiện tượng này được gọi là phản ứng tổng hợp hạt nhân. Trong quá trình này, khối lượng sẽ bị mất khoảng 0,7%. Chính khối lượng này được chuyển hóa thành năng lượng và truyền từ lõi đến bề mặt Mặt Trời dưới dạng bức xạ điện từ, sau đó được giải phóng vào không gian dưới dạng ánh sáng và nhiệt. Năng lượng này lớn đến mức nào? Thông qua quan sát quang phổ, phân tích và tính toán mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng một ngôi sao có khối lượng bằng mặt trời tiêu thụ khoảng 600 triệu tấn hydro mỗi giây, chuyển đổi thành khoảng 595,8 triệu tấn heli. Mất 0,7% khối lượng là 4,2 triệu tấn/giây (giây thứ hai).
Năng lượng này lớn đến mức nào? Theo phương trình khối lượng-năng lượng của Einstein E (năng lượng) = M (khối lượng) * C^2 (tốc độ ánh sáng bình phương), 4,2 triệu tấn khối lượng có thể được chuyển đổi thành năng lượng khoảng 3,78*10^26J (joule)/s. Trái đất trong không gian bao la có thể hấp thụ một phần 2,2 tỷ nguồn năng lượng này, khoảng 1,72*10^17J/s, tương đương với tổng lượng điện do 10 triệu đập Tam Hiệp tạo ra.
Áp suất bức xạ năng lượng khổng lồ từ lõi mặt trời chống lại áp suất hấp dẫn hướng tâm do khối lượng khổng lồ của chính nó tạo ra, tạo thành sự cân bằng cho phép mặt trời cháy ổn định và liên tục trong 4,6 tỷ năm và có thể cháy thêm 5,4 tỷ đến 6,4 tỷ năm nữa. Đây là giai đoạn chuỗi chính của mặt trời. Vậy mặt trời có thể đốt cháy bao nhiêu hydro trong suốt vòng đời của nó? Tổng cộng khối lượng bị mất là bao nhiêu và nó chiếm bao nhiêu phần trong tổng khối lượng của Mặt Trời?
Chúng ta có thể thực hiện một phép tính đơn giản: tổng thể tích của mặt trời là khoảng 1,41*10^18km^3 (kilômét khối), và phản ứng tổng hợp hạt nhân mặt trời chỉ xảy ra ở 1/4 bán kính mặt trời trong lõi, nơi có thể tích khoảng 2,2*10^16km^3. Do đó, khối lượng nhiên liệu sử dụng chỉ chiếm khoảng 1,6% tổng khối lượng của mặt trời. Vì lõi đặc hơn nhiều so với bề mặt dưới áp suất cao nên trọng lượng riêng thực tế lớn hơn nhiều so với trọng lượng riêng thể tích.
Mặt trời đốt cháy 600 triệu tấn hydro mỗi giây, với khối lượng mất đi là 4,2 triệu tấn. Có 31557600 giây trong 1 năm. Nếu tính toán dựa trên 11 tỷ năm thì khoảng 3,471336*10^17 giây. Khoảng 2,08*10^29kg hydro sẽ bị đốt cháy, với khối lượng mất đi khoảng 1,46*10^27kg.
Tổng khối lượng của Mặt Trời là 1,9891*10^30kg. Lượng hydro bị đốt cháy trong 11 tỷ năm chiếm 10,46% tổng khối lượng của Mặt Trời và khối lượng bị mất chiếm 0,0734% tổng khối lượng của Mặt Trời. Hydro chiếm khoảng 75% tổng khối lượng của Mặt Trời. Ngay cả khi tính toán dựa trên tổng khối lượng hydro của Mặt Trời, chỉ có chưa đến 14% tổng khối lượng hydro của Mặt Trời được sử dụng trong 11 tỷ năm.
Trong suốt 11 tỷ năm hoạt động của Mặt trời, tốc độ đốt cháy và mức tiêu thụ không hoàn toàn giống nhau. Chúng sẽ chậm hơn ở giai đoạn đầu và nhanh hơn ở giai đoạn sau, nhưng có thể tính toán sơ bộ theo mức trung bình này. Từ đó ta có thể thấy rằng cho đến cuối vòng đời, mặt trời vẫn chưa cạn kiệt toàn bộ năng lượng mà vẫn còn rất nhiều năng lượng.
Tại sao các ngôi sao lại chết mặc dù vẫn còn nhiều nhiên liệu? Điều này là do quy luật tiến hóa của các vì sao. Thời gian chuỗi chính của tất cả các ngôi sao là dài nhất, chiếm hơn 90% tổng tuổi thọ của các ngôi sao. Vì giai đoạn hình thành sao và kết thúc quá trình tiến hóa của nó cực kỳ không ổn định và ngắn nên tuổi thọ chung được gọi là giai đoạn dãy chính của nó.
Tuổi thọ của một ngôi sao được xác định bởi khối lượng của nó. Khối lượng càng lớn thì tuổi thọ càng ngắn và ngược lại. Sao lùn đỏ có tuổi thọ dài nhất, có thể lên tới hàng chục tỷ hoặc thậm chí hàng trăm tỷ hoặc hàng nghìn tỷ năm. Vũ trụ chỉ mới 13,8 tỷ năm tuổi, vì vậy chưa có ngôi sao lùn đỏ nào bước vào tuổi trung niên hay già nua, chứ đừng nói đến cái chết. Một số ngôi sao lớn chỉ có tuổi thọ vài triệu năm. Ví dụ, R136A1, được cho là ngôi sao có khối lượng lớn nhất được biết đến cho đến nay, có khối lượng lớn hơn Mặt trời hơn 200 lần và được dự đoán chỉ có tuổi thọ khoảng 3 triệu năm.
Các ngôi sao có khối lượng khác nhau đều chết vì hydro trong lõi của chúng đã bị đốt cháy hoàn toàn. Trên thực tế, vẫn còn rất nhiều hydro ở ngoại vi, nhưng lượng hydro này sẽ không đi vào trung tâm để tham gia phản ứng tổng hợp hạt nhân. Khi chết, chúng sẽ từ từ tan biến vào không gian thông qua quá trình giãn nở, hoặc bị thổi bay vào không gian trong một vụ nổ siêu tân tinh, trở về với thiên nhiên và trở thành tinh vân tái sinh, nguyên liệu thô cho sự ra đời của ngôi sao tiếp theo.
Các mảnh vỡ còn lại sau cái chết của các ngôi sao có khối lượng khác nhau cũng khác nhau. Một số phát nổ thành hư không, trong khi một số khác chỉ còn lại xác chết. Khi mặt trời chết, nó sẽ để lại một sao lùn trắng, và một số ngôi sao lớn sẽ để lại một sao neutron hoặc một lỗ đen. Điều này không nằm trong phạm vi của bài viết này. Những ai quan tâm có thể tham khảo các bài viết trước của tôi. Tôi sẽ không đi vào chi tiết ở đây.
Chào mừng bạn đến thảo luận, cảm ơn bạn đã ủng hộ.
Bản quyền thuộc về Space-Time Communication. Vi phạm và đạo văn là hành vi phi đạo đức. Xin hãy hiểu và hợp tác.
