标准太阳模型

✍ dations ◷ 2025-04-04 11:23:27 #天体物理学,粒子物理,专门模型,太阳

标准太阳模型(英语:Standard Solar Model,SSM)是借助于数学模型处理的球形气体太阳(在不同状态的电离,在内部深层的氢被完全电离成为等离子体)。这个模型从技术上说是球对称的一颗准静态恒星模型,描述恒星结构的几个微分方程都源自于物理的基本原则。这个模型受到边界条件(即亮度、半径、年龄和构造)的约束。太阳的年龄不能直接测量;一种方法是从最老的陨石年龄,和太阳系演化的模型来估计。现在太阳光球层中氢的质量占74.9%,氦占23.8%。其它所有更重的元素,在天文学都称为金属,只占不到2%的质量。SSM用于测算恒星演化理论的有效性。事实上,唯一能确定恒星演化模形的只有两个自由参数:氦丰度和混合长度(英语:Mixing length model)(使用于太阳的对流),都要调整SSM以适合观测到的太阳。

一颗恒星在零岁(原恒星)时被假设有着均匀的组成,并且大部分是从核反应刚刚开始才辐射出光(这样是忽略气体和尘埃的收缩期)。要获得SSM,一个1太阳质量的零岁恒星模型是演化数值到太阳的年龄。零岁太阳的元素丰度是从最古老的陨石来估计的。依据这个丰度的信息,合理的猜测零岁亮度(例如,现今太阳的亮度),然后由一个迭代程式转换成模型中正确的数值,假设恒星是在稳态,经由恒星结构的数值方程求解计算模型的温度、压力与密度。这个模型然后以数值展开到现在的太阳年龄。来自太阳亮度、表面丰度等测量上的任何差异,都可以用来改善模型。例如,从太阳形成之后,氦和重元素稳定的从光球向外扩散,结果是现在的光球含有的氦和重元素是原来的87%;原恒星的太阳光球则由71.1%的氢,27.4%的氦和1.5%的金属组成。测量重元素的稳定扩散需要更精确的模型。

恒星结构的微分方程,像是流体静力平衡方程,是数值的积分。差分方程非常接近微分方程,恒星要使用状态方程以有限的步骤推测球对称壳层和数值积分,给与压力、不透明度和能量滋生率,以及密度、温度和组成等项目。’

在太阳核心的核反应改变了它的组成,通过质子-质子链反应和碳氮氧循环 (在大质量恒星中占的比例比太阳高) 将氢原子核转换成为氦原子核。这将减少在太阳核心的平均分子量,有助于压力的减少。但这样的发生不能取代核心的收缩。依据维里定律收缩时释放的重力势能有一半用于提高核心的温度,另外一半则辐射掉了。依据理想气体定律这增加的温度也会使压力增加,并恢复流体静力平衡的平衡。当太阳的温度上升时太阳的亮度也会增加,核反应的速率也会加快。外层膨胀以补偿温度和压力梯度的增加,所以半径也会增加。

没有恒星是完全稳定的,但是恒星可以在主序带 (核心燃烧氢) 停留很长的时间,以太阳为例,它已经在主序带逗留了46亿年,并且要再过65亿年才会成为红巨星,在主序带上的生命期大约是1010年 (100亿年),因此稳态假设是一个很好的近似。为简化起见,除了亮度梯度方持程式例外,恒星的结构方程被写成与时间无关的形式:

此处的L是亮度,ε是每单位质量的核能滋生率,还有εν 是由中微子辐射的亮度 (参见下文)。太阳缓慢的在主序带上发展,然后确实的进行核种的变化 (主要是消耗氢和制造氦)。各种不同核反应的速率是由高能粒子物理实验来估计,这被推断回较低的恒星能量 (太阳燃烧氢是缓慢的)。从历史上看,在恒星模型中最大的错误来源之一是错估核反应的速率。电脑已经被用来计算各种不同核种的丰度 (通常使用质量百分比)。一个特定的核种有生产率和破坏率,两著都需要随着时间的推移计算,并在不同的温度和密度条件下计算其丰度。因为有许多的核种,电脑的必须持续的追踪所有各种不同核种丰度。依据罗素-沃克定理,质量和化学组成结构是唯一可以断定恒星半径、光度和内部结构,以及其后续的演化 (尽管这个"定理"只适用于恒星演化缓慢而稳定的阶段,并确定不适用于转换阶段和快速演化阶段)。随着时间的推移,有关核种丰度的信息,连同状态方程的数值解,都要充分考虑足够短时间内的增量和使用迭代来发现每个阶段、每颗恒星独特的内部结构。

SSM有两个目的:

像粒子物理的标准模型和标准宇宙模型,SSM随着时间 改变以回应新的理论或实验物理的发现。

如太阳条目所述,太阳有一个辐射的核心和一个对流的外层。在核心,由于核反应产生的发光度由辐射往外传输到外层。然而,在外层的温度梯度是如此之大,辐射无法传输足够的能量。结果是,当热柱携带着热物质到表面 (光球),引发了热对流。一旦这些物质变凉,就会离开表面,它向下沉降回到对流区的基地,从辐射区域的顶部接收更多的能量。

在太阳模型中,如同恒星结构所述的考滤密度 ρ ( r ) {\displaystyle \scriptstyle \rho (r)} 、温度 T(r)、总压力 (物质加上辐射) 和在距离为r,厚度为dr的薄球壳中单位质量的能量替换率ε(r)。

辐射传输的能量是由辐射温度梯度方程来描述:

此处κ是物质的不透明度,σ是斯特藩-玻尔兹曼常数,并且玻尔兹曼常数被设定为1。

使用混合长度理论描述对流进行和相对应的温度梯度方程 (绝热对流) 是:

此处,γ= cp / cv是绝热指数,是气体比热的比率 (对完全电离的理想气体,γ= 5/3。) 接近太阳对流区的基地,对流是绝热的,但是接近太阳的表面,对流不是绝热的。

经由三度空间和与时间相关的流体动力学的模拟,和考虑到大气中的辐射转移,可以更实际的说明对流层最上面的部分。这种模拟成功的再现了在太阳表面观测到的米粒组织结构。在太阳辐射光谱的详细设定档案中,无须使用湍流的参数化模型。模拟只涵盖了太阳半径中很小比例的部分,要建构包括太阳一般性的模型显然会太过耗时。通过一个以平均混合长度为基础,在部分的对流层中建立绝热的外推模型说明,表明模拟预测的绝热如同来自流体动力学的推断,在实质上包括了对流层的深处。以接近对流层表面,包括湍流压力和动能影响的数质模拟,一个延伸的混合长度理论已经发展起来。

这一部分是由克里斯滕森-达尔斯高的流体动力学回顾第四章改写的。

恒星结构的微分方程数值解要求状态方程的压力、不透明度和能源的生成率,如同恒星结构中叙述的,与密度、温度和组成的改变相关联。

日震学是研究在太阳的震波,通过这些波在太阳上传递时的变化,揭示太阳内部的结构,并允许天文物理学家发展极为详细的太阳内部剖面的条件。特别是,可以测量的太阳外围对流层区域,为太阳核心的信息提供了一种方法,独立于使用最古老的陨石推算太阳年龄之外,使用SSM计算太阳的年龄。这是另一个如何淬炼SSM的例子。

在太阳,氢以几种不同的相互作用融合成氦。绝大多数的中微子是经由质子-质子链反应产生的,在这个过程中,4个质子结合产生2个质子、2个中子、2个正电子和2个电中微子。在碳氮氧循环的过程也会产生中微子,但在太阳中所占的比重不大,不如在其他的恒星中那么重要。

在太阳,大部分的中微子来自质子-质子链的第一步,但他门的能量非常低 (<0.425 MeV)。它们很难被发现,在质子-质子链罕见产生硼-8的分支上,中微子的能量最大,大约是15MeV,而这是最容易检测到的。在质子-质子链中非常罕见的相互作用能产生"hep"中微子,是预测太阳所能产生能量最高的中微子,它们的最大能量约为18MeV。

上文所述的相互作用产生中微子的能量光谱。7Be的电子捕获能产生的中微子能量不是大约0.862 MeV (~90%) 就是0.384 MeV (~10%)。

中微子与其他粒子的相互作用微弱,意味着在核心产生的中微子大多数可以一路穿过太阳而不会被吸收。因此,通过检测这些中微子就有可能直接观测太阳的核心。

太阳活动 · 太阳天文学 · 太阳发电机 · 太阳望远镜 · 日食 · 太阳光 · 太阳辐射 · 太阳能 · 太阳物理学 · 太阳日 · 太阳系 · 太阳常数 · 太阳中微子问题 · 中微子振荡 · 蒙德极小期 · 太阳星云 · 太阳系的形成和演化 · 日震学 · 标准太阳模型

相关

  • Z-testZ检验,也称“U检验”,是为了检验在零假设情况下测试数据能否可以接近正态分布的一种统计测试。根据中心极限定理,在大样本条件下许多测验可以被贴合为正态分布。在不同的显著性
  • 血友病血友病多数是遗传性的疾病,造成人体无法凝血形成血块来止血。这致使病人受伤后流血时间更长,易于淤青,和增加关节积血或脑出血的几率。病情轻微的病人可能只有在意外或是手术时
  • 潜在语义学潜在语义分析(Latent Semantic Analysis),是语义学的一个新的分支。传统的语义学通常研究字、词的含义以及词与词之间的关系,如同义,近义,反义等等。潜在语义分析探讨的是隐藏在字
  • 潘基文潘基文(韩语:반기문,1944年6月13日-),前大韩民国外交通商部长官,第8任联合国秘书长,现任国际奥林匹克委员会道德委员会主席,博鳌亚洲论坛理事长。1944年6月13日,潘基文出生于今韩国忠
  • 气象博物馆原台南测候所,俗称胡椒管,是位于台湾台南市中西区的气象观测用建筑,建于日治时期明治31年(1898年),以圆形建物与宽烟囱塔楼两种构造组成,是台湾日治初期兴建的少数大型建筑之一,也是
  • 秦人秦人,先秦人群,是颛顼的后代,居住在今中国陕西一带,是周王朝封建的诸侯国之一,领导阶级为赢姓。在战国时期,秦国统一七国,建立秦朝,秦人也因此一度成为汉族人的代称之一。据《史记》
  • 戒日戒日王朝(606-647年)又称曷利沙王朝(Harsha Empire),是印度历史上一个短但重要的王朝,由曷利沙伐弹那所建立,死后其大臣阿罗那顺篡位。阿罗那顺扣留唐朝使团,正使王玄策出奔吐蕃,请求
  • 华藏卫星电视台华藏世界传播股份有限公司(英语:Hwazan Satellite TV,简称:HZTV),是公元2001年净空法师向陈彩琼提出成立电视台的计划,当时净空和尚和陈彩琼两个人都在美国,2002年向行政院新闻局申
  • 卡特卡特县(Carter County, Oklahoma)是美国奥克拉荷马州南部的一个县。面积2,159平方公里。根据美国2000年人口普查,共有人口45,621人。县治阿德摩尔(Ardmore)。成立于1907年。县名
  • 陈岱础陈岱础(1913年1月2日-),福建闽侯人,出生于上海,其父陈模为二次革命烈士。陈岱础从燕京大学毕业后赴欧美留学,获美国哥伦比亚大学政治学硕士、英国伦敦大学国际关系博士。后担任国民