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宇宙大爆炸之后,谁站到了C位?

很怀念小时候,那时报纸、杂志、电视和广播是我们的灯塔,图书馆是我们的星辰大海。那时我们的记忆力好于体力,没有云存储,只有脑回路。

在宇宙大爆炸之后都发生了些什么呢?谁站到了绝对的C位?

这要先看,宇宙大爆炸之后,宇宙中最先诞生了什么。

1
宇宙大爆炸之后中最先诞生的是?

在《三分钟极简宇宙大爆炸史》里,我们了解了宇宙诞生后的最初几分钟内,它迅速冷却,以至于除了元素周期表中的前三个元素氢、氦和锂(在一瞬间产生)之外,其它任何质量更重或更为复杂的元素都不可能产生。在炽热且混沌的早期宇宙里,比这三种元素复杂的事物都不可能存在。以一个化学家的眼光来看,早期宇宙是极其简单的,以至于根本不可能产生像我们的地球或者生存于地球之上的生物那样复杂的物体。

这个时候,宇宙中只有氢、氦和锂(在一瞬间产生)三种元素存在。

而之前我们也说过,氦元素占四分之一,氢元素大致占四分之三。其它元素基本可以忽略不计。

记住,这一点非常重要。

如果氢元素和氦元素在整个宇宙中的分布绝对均匀,那么接下来所有的一切都将不可能发生。

正是因为早期宇宙具有完全不平均的稠度,有的地方密度大,有的地方密度小,所以,下面这种力才会发挥作用。

它就是我们要向大家介绍的宇宙第二种大范围的力——引力。尽管迄今为止,宇宙的历史都为第一种大范围的力——大爆炸的膨胀力所主宰。但是,膨胀力将能量与物质分离,是引力才又将它们重新聚集。

正是引力将物体聚合在一起,才有了宇宙中后来发生的一切。引力因而成了我们宇宙秩序和范型的主要源泉之一。

我们想象一下,如果早期的宇宙,具有完全平均的稠度——比方说,如果氢元素和氦元素在整个宇宙中的分布绝对均匀——

那么引力除了延缓宇宙的膨胀速度之外,所起的作用将会微乎其微。宇宙将会保持均质,诸如恒星、行星等复杂物体以及人类就都不可能出现。

正是因为早期宇宙的某些地区要比其它地区密度稍大。这些“褶皱”带来的差异性为引力发生作用创造了条件,引力放大了这些差异性,从而使得高密度的区域更为致密。形成一个一个巨大的漩涡。

这一个个旋涡就是引力造就的许多由氢元素和氦元素构成的巨大星云。这些星际气体云的物质组成大致是:氢占74%~75%,氦占24%~25%,除氢和氦以外的元素(天文学中统统称为“重元素”)只占不到1%。

正是这些星际气体云,形成了宇宙中接下来诞生的——最早的恒星。

02
星际气体云是如何形成恒星的呢?


在星际气体云引力收缩时,各元素分子随着收缩间距缩小,分子之间的碰撞越来越频繁,表现为分子内能升高,温度升高。当内部温度达到1000万摄氏度时,两个氢原子就会融合为一个氦原子。这种核反应被称为核聚变,也就是氢弹中心区域所发生的反应。

当氢原子转化为氦原子时,大约会丢失0.7%的质量,我们之所以知道这一点,是因为氢原子要比氦原子更重一些。氢原子丢失的质量转化成了能量。因此,当氢核聚变为氦核的核聚变反应产生的向外的能量与向内的万有引力抗衡时,一颗稳定的恒星就诞生了。

所以,最早诞生的恒星和星系差不多就是由氢和氦构成的。恒星一旦形成,即开始为创造包括生物体在内的更加复杂的实体铺设基础,因为在恒星炽热的核心,正进行着将氢元素与氦元素转变为周期表中的其他元素这一魔术般的过程。

3
元素周期表各元素的产生

大部分恒星,因为核聚变反应,都会始终处于燃烧过程中,最终它们都会消耗掉全部氢元素,届时其内核将充满氦元素。到那时,支持恒星走完一生大部分岁月的氢聚变反应已不能再继续下去了。

因此,恒星的中心开始冷却并逐渐向内塌陷。但是塌陷使得恒星内部的压力增强,温度再次升高,这样就出现了一个令人意想不到的情况——恒星的体积膨胀到了原先的好几倍。如果恒星足够大的话,最初的塌陷可以使内核的温度上升到1亿摄氏度。达到这一温度之后,以氦为燃料的聚变反应又开始了。

但与氢聚变相比,氦聚变反应只能将很少的质量转化为能量,因此并不能持续很长时间。恒星很快又耗尽了氦元素,这时,中心再次开始塌陷,而外层则膨胀得更为巨大,有时甚至被抛入宇宙空间。在此过程中,每一次反应都需要比前一次更高的温度,许多新的元素诞生了,其中最为丰富的是碳、氧和氮。例如,我们的太阳将连续发生这样的情形,直到开始产生碳元素为止,而体积稍大一些的恒星则可以继续这样的情形直到氧元素形成为止。就这样,逐渐衰老的恒星产生了许多元素周期表中位置靠前的元素;体积最大的恒星,在它们生命的最后阶段可以形成铁元素(原子序列号为26),这一创造过程所需的温度在40亿——60亿度之间。聚变反应所产生的新元素序列直到铁元素才告终结。

当然,以上说的是一些中小型恒星,当燃料耗尽,小型和中型恒星开始变冷,最终成为熄灭的恒星,称为白矮星。白矮星密度很大,体积与地球相仿。数十亿年之后,绝大部分恒星都会变冷,那时它们作为恒星的生涯就结束了。包括太阳,大约50亿年之后,太阳将进入死亡阶段,体积将急剧膨胀,甚至地球和火星都会被它的最外层所吞没。

而宇宙中还有很多巨型恒星,它们的体积大约在太阳的8倍以上,其生命历程更具戏剧性。由于这些恒星十分巨大,内核中的压力和温度很高,因此它们能够制造直到硅为止的新元素,并且正如前文所述,甚至还能制造铁元素。但是当燃料耗尽,它们的结局要比中型恒星更加壮观。在没有能量可维持自身存在之际,引力将取得支配地位并压垮它们,这一突如其来的、灾难性的塌陷过程所持续的时间不会超过一秒钟。此时,超新星爆发这一天文现象诞生了。一颗超新星爆炸所产生的巨大能量与闪光,相当于1000亿颗恒星或整个星系,并且可以持续好几个星期。

超新星的高温在顷刻之间越过了某种临界值,在这个大熔炉里,比铁重许多的元素被烤制出来。实际上,在极端的时间内,超新星爆炸可以制造出元素周期表中一直到铀为止的所有元素。

在这场星系级炼金术的过程中,产生的氧元素最多,其次是少量的氖、镁和硅,这些都是恒星际空间里最常见的重元素。


可以说,恒星是宇宙大爆炸之后绝对的C位,是宇宙继续发展的重要基础。正是有了恒星的诞生,才有了后来银河系、太阳系、地球、人类的出现。

下一篇,让我们再继续分解银河系的诞生~


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