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地球上的元素从何而来,宇宙中新物质的产生

在宇宙形成的初期,那是离我们十分遥远的时代,宇宙中只存在氢和氦这两种基本原子核,它们成为了构成宇宙的基本物质。如今排在元素周期表中第三的锂仅仅才占有百亿分之一的含量,但现在我们的地球上有90多种自然元素,这些元素都是从何而来的呢?

元素周期表中有90多种自然元素

发现超新星

很多人都听说过超新星这类星体,它是大质量恒星死亡之前经历的一种状态。它是天空中亮度最高的星,有的亮度瞬间能够增大100亿倍以上,即使用我们的肉眼也可以观察到它。每年全世界的望远镜能够观察到数十次超新星的爆发,但是大部分爆发由于位置距离我们太过遥远,我们只能够观察到,但是无法对它的细节进行深入研究。

在过去的1000年里,人们分别在1006年、1054年、1572年和1604年用肉眼多次看到了超新星的爆发。1987年2月23日,加拿大年轻的天文学家希尔顿仅仅用25厘米口径的天体照相仪就看到了大麦哲伦星云里出现的一颗新星。这颗新星最开始的光度是太阳的一亿倍,随着时间的推移,它的光度逐渐减弱,直到500天后才慢慢消失不见。

SN1987A超新星

这颗SN1987A超新星是1604年以来,在距离银河系17万光年的大麦哲伦星云内最为明亮的一颗超新星。也是科学家们第一次有机会细致了解并追踪超新星的演化过程,让我们终于认识到了恒星陨落的地方也正是重原子诞生的地方。对它的研究起到了分析恒星演化研究的重要意义。另一方面,因为检测到了24个中微子事例而开启了太阳系外中微子天文学的大门。

制造各种元素的'工厂'

在40多年前,天体物理学家们一致认为现在大部分元素都是由恒星内部核反应的链式反应逐级产生的。但是后来经过研究发现,在恒星内部由聚变合成的核反应能生成最重的就是铁原子核。更重的原子核产生需要在更为复杂的情况下发生,一般是在质量很大的恒星即将死亡时,它的爆炸会迸发出更高的能量引发进一步的核反应。

能够产生比铁原子核更重原子核的恒星,一般是比太阳质量大10倍以上的恒星。它在濒临死亡时会演变成为一颗超新星。由于它内部的燃料耗尽,聚变反应带来由内向外的斥力减小,恒星巨大的引力向内冲压使星体内的温度上升到6亿℃。这个超高温的内核就是产生重元素的'工厂'。

由碳原子核变成铁原子核的过程

对于类似于太阳质量的星体,它的聚变反应会将氢变成氦,然后会生成碳,直到它死亡变成了白矮星,也不会再生成更重的原子核了。但是比太阳更大的星体就不一样了,由于它最终的压缩会产生更高的温度,能够使碳更进一步的参与聚变反应而生成更重的原子核,如氖(Ne)、氧(O)、镁(Mg)、硅(Si)等。最终,会有铁原子核生成。

重原子核的产生

不管是重原子核的裂变,还是较轻原子核的聚变,最终都会趋于生成铁原子核。因此,铁是最稳定的元素。当恒星内部聚变出比铁轻的核则会释放一些能量,当聚变出比铁重的核则要倒贴能量。当能量消耗到最后一刻时,引力远远大于斥力,使恒星的核在一秒内的时间里坍缩掉。恒星沉重的地幔砸向内核,使内核被巨大的能量挤压着,正是由于这最终内向爆炸所产生的额外冲击能量把恒星内部的铁元素变成了各式各样的重元素。这时, 这个星体就生成了提供给其他星体形成的重元素。现在,科学家们已经明确了各种重原子在极高温度环境下产生的化学反应过程。这些比铁重的重元素大多数都来自于中子星-中子星合并时的中子核反应,只有一小部分来源于超新星的爆发。

恒星会产生多种原子核

事情到这里并没有完全结束,这个星体还要为其他星体的新生再提供一些帮助,将自己最后的一丝能量发挥出来。由于内核受到了极强的压力挤压,导致星体内部会产生一个由内向外的反弹,这次反弹所带来的冲击波将最外层已经生成好的重元素打成碎片,并抛到了太空之中。这个星体在太空中会留下一个比原来体积小很多的核,这个核就是我们常说的中子星。而质量特别大的恒星由于引力更加强大会进一步的坍缩,形成黑洞。

恒星与我们

那些被冲击波抛入太空中的元素碎片就是包含着各种不同的原子核,正是这些宇宙尘埃或者颗粒才提供了形成新天体的原材料。当然,我们的地球也不例外,经天体物理学家研究表明,在46亿年前,一颗或者两颗超新星爆炸所产生的尘粒由于引力相互吸引,最终聚集在一起形成了我们的地球。这些尘粒的成分提供了我们地球上几乎所有轻重元素。我们生活中随处可见的工具和生活用品,都有着这些重元素的影子。

超新星爆发后

不仅仅如此,组成我们身体65%的水和18%的碳,还有我们身体当中很多不可或缺的微量元素矿物质,都来源于数十亿年前的某个恒星。是不是感到无比的神奇和震撼,震撼于生命的轮回和宇宙“造物主”的强大与稳定。感叹生命的神奇和在时间面前的脆弱!

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来自:罗宋汤的味道  > 科技
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