除了氫元素以外的各種元素都是在恒星的生命過程中形成的。
由于目前的物理學(xué)并沒有弄清楚引力的產(chǎn)生原因和星球之間的引力相互作用問題,所以根本算不準(zhǔn)恒星的質(zhì)量。實際情況是恒星都是由實體物質(zhì)構(gòu)成的,太陽的真實密度至少要比目前認(rèn)識的大上5倍之多。太陽表面就是液態(tài)物質(zhì),這是簡單觀察就能夠確定的。太陽耀斑爆發(fā)拋射的物質(zhì)能夠以極快的速度返回,就已經(jīng)毫無疑問地明確了太陽是實體星球,如果太陽是氣體星球,拋射的也是氣態(tài)物質(zhì),那么就會象原子彈的蘑菇云一樣膨脹才對,而絕不會出現(xiàn)快速下落的情況。
由于太陽一類恒星都是實體星球,她們吸收的是最簡單最原始的氘元素(氘元素是原始零性態(tài)空間分化質(zhì)能、形成氕氫和中子后自然組合的最基礎(chǔ)物質(zhì),請參看我以前的答題)。恒星的內(nèi)部壓力足于制造任何重元素。即便聚合形成鐵元素真的要吸收能量,由于太陽內(nèi)部合成輕元素釋放的能量十分巨大,且難于揮發(fā),所以也足于提供合成重元素需要的能量。況且,合成鐵元素需要吸收能量只是一種猜測,并無實際證據(jù)。
星球的最終結(jié)果都是產(chǎn)生超新星爆發(fā),超新星爆發(fā)將恒星一生所制造的物質(zhì)元素拋撒于廣袤的宇宙空間,就是為了繁衍子孫星球、繁衍生命萬物提供的物質(zhì)基礎(chǔ)。宇宙的發(fā)展,就是在元素的制造與積累,星球的繁衍與成長過程中實現(xiàn)的。
如果要追根溯源的話,組成物質(zhì)的不同原子均是源自宇宙大爆炸。在宇宙剛剛誕生之時,由于密度和溫度極高,任何元素都沒有形成。到了大爆炸之后三分鐘,隨著宇宙空間經(jīng)歷了暴漲和膨脹的過程,宇宙的溫度大幅下降,此時質(zhì)子和中子得以穩(wěn)定的存在。質(zhì)子和中子在高溫高壓的環(huán)境中結(jié)合形成了氘原子核、氦原子核、鋰原子核以及鈹原子核,這個過程被稱為太初核合成,僅持續(xù)了不到二十分鐘。最終的結(jié)果形成了75%的氫原子核(質(zhì)子)和25%的氦原子核,其他幾種原子核的占比極少。大約在38萬年后,宇宙的溫度變得足夠低,使原子核俘獲電子形成了中性原子。因此,在宇宙早期,宇宙中幾乎只有氫和氦兩種元素,比鈹更重的元素是不存在的。
直到宇宙誕生一兩億年之后,彌漫在宇宙中的氫和氦的氣體云開始坍縮形成恒星。在恒星的核心區(qū)域,氫會被核聚變?yōu)楹ぃび帜芫圩優(yōu)樘?。如果恒星的質(zhì)量超過太陽8倍,這個過程可以一直持續(xù)到生成鐵,然后猛烈爆發(fā)為超新星。在此期間,還會合成更重的元素,比如鈣、金、鉑等重元素。在46億年前,正是由于一顆超新星的沖擊波引發(fā)了太陽星云坍縮為太陽系,并給太陽系中注入了重元素,地球上的重元素均是來自于此。如果沒有大質(zhì)量恒星產(chǎn)生的重元素,地球上也就不可能存在包括人類在內(nèi)的所有生命。
此外,根據(jù)今年觀測到的首例雙中子星合并事件,宇宙中的重元素可能有一大部分是來自于這個過程。
生產(chǎn)不同原子量原子的過程就是核反應(yīng)。我們一般所說的化學(xué)反應(yīng)是分子間的反應(yīng),不會改變原子量。核反應(yīng)前后的核子質(zhì)量都會有變化,因此會釋放/吸收大量的能量。
較輕的原子在恒星內(nèi)部就能形成。比如太陽內(nèi)部就不停地在生產(chǎn)氦元素。太陽內(nèi)的反應(yīng)是氫原子經(jīng)過復(fù)雜的反應(yīng),最終生成氦。而在太陽到了晚期變成紅巨星并可能發(fā)生超新星爆炸后會形成更重的元素。
而碳這類元素是在比太陽更重的恒星內(nèi)部發(fā)生的,一般質(zhì)量在太陽的1.3倍以上。這種聚變反應(yīng)稱之為CNO循環(huán)。即碳氮氧循環(huán),也就是會持續(xù)生成最終為氧氣的元素。
超新星爆炸中最終能生成的元素是鐵。生成這種較重元素的過程叫做快速融合(r-process)。比氧重的元素大部分都是在超新星爆炸的快速融合過程中產(chǎn)生的。
之前認(rèn)為超新星爆炸還能產(chǎn)生金這種元素,最近計算研究表示應(yīng)該不大可能。于是比鐵更重的元素,目前認(rèn)為是在白矮星、中子星融合的過程中產(chǎn)生的。所以在宇宙中的數(shù)量比較少。
最近發(fā)現(xiàn)的由中子星合并形成的引力波就是這一種現(xiàn)象。每當(dāng)中子星合并的時候就會有大量金這一類重元素行程并被拋射到宇宙空間中。
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