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宇宙第三元素之谜
2016-01-06 19:24:45  出处:星空天文网   编辑:冰冰   点击可以复制本篇文章的标题和链接

“宇宙中最常见的元素第一是氢,第二是愚蠢。”——哈兰·埃里森

那么第三呢?

现实世界中的一切物质都是由两样东西组成的——带正电的原子核和带负电的电子。原子间的推动、拖拽、吸引、排斥,原子间的相互结合,由原子形成的分子、离子,以及电子的能量状态——构成了整个世界。

虽然我们看到的宇宙特性是由这些原子的量子、电磁特性,以及它们的成份决定的,我们也有必要了解,宇宙并不是一开始就拥有今天我们所知的所有原材料。实际上,最初的宇宙十分单调。

物质多样的结构方式,以及作为基本材料的复杂分子,依赖于种类繁多的原子。我们需要的不仅是大量原子,还需要它们有各种不同的品种,它们原子核内的质子数量要各不相同——这也就是不同元素得以相互区别的根本原因。

我们的躯体需要碳、氮、氧、磷、钙和铁。地壳是由硅和大量重元素构成的;要使地核能够产出热量,则需要元素周期表最上端的一系列最重的自然元素——钍、镭、铀,甚至是微量的钚。

但是回到宇宙的极早期,回到人类和生命、太阳系、行星、恒星还未出现的时代,世上所有的一切,只不过是一片炽热的、电离的质子、中子、电子之海。

那时什么元素也没有,也没有原子和原子核——宇宙太热了,以致于这些东西全都无法凝聚在一起。只有随着宇宙的逐渐膨胀和冷却,稳定的物质才得以出现。

随着时间慢慢流逝,第一种原子核开始聚合,氢及其同位素出现了,随后是氦及其同位素,以及微量的锂和铍。铍通过衰变也变成了锂。这个宇宙,以原子核的数量来统计,大约包含92%的氢、8%的氦和0.00000001%的锂;如果用质量来统计,则包含约75-76%的氢,24-25%的氦和0.00000007%的锂。

不管用哪种方式,都可以看出,那时的宇宙几乎全是氢和氦。而排在第三位的是锂。

几十万年后,宇宙的温度降低到了足以使中性的原子得以形成;几千万年后,引力的坍缩又引发了恒星的出现。恒星内核中的核聚变,不但照亮了宇宙,还为宇宙提供了更重的元素。

第一颗恒星诞生之时,大约是宇宙大爆炸后5000万至1亿年,那时大量的氢开始聚变为氦。但是这些最为巨大的恒星(质量大约是太阳的8倍以上)消耗速度非常快,大约只能存在几百万年。一旦氢燃料耗尽,恒星的氦核开始收缩。

三个氦原子核开始聚变为一个碳原子核。整个宇宙中这类巨星的数量大约只有一万亿(10^12)(在首个一亿年中,宇宙中大约出现了10^22颗恒星)。此时,原本排位第三的锂开始被其它元素超过。

那么此后排在第三的元素是否会是碳?

因为这样的聚变存在于恒星内部洋葱一样的结构层内。氦变成碳,随后在更高的温度下,碳聚变成氧,氧聚变成硅和硫,硅最终变成铁。最终,铁无法继续聚变,恒星内爆,把自己变成超新星。

超新星把恒星内部的氢、氦、碳、氧、硅和所有通过非核聚变反应过程产生的重元素奉献给了宇宙。这些过程如慢中子俘获;氦原子核和其它较重元素的聚变(产生了氖、镁、氩、钙等等);以及快中子俘获(产生了铀等重元素)。

恒星不只有一代,今天的恒星并非由原初的氢氦构成,而是许多前辈恒星的后代。这一点非常重要,因为若非如此,宇宙中就不会出现岩石行星,仅有的都会是由氢氦构成的气体巨人。

在几十亿年中,恒星经历了一代代的生死轮回,它们的成份也越来越复杂多样。现在,大质量恒星内核中发生的聚变不是简单的由氢变氦,而是出现了一种被称碳-氮-氧循环的方式,通过这种方式,恒星积累了越来越多的碳、氧和氮。

在这种聚变方式中,当氦聚变为碳时,极易因为获得一个额外的氦原子而变成氧(氧又会因为获得另一个氦原子而变成氖)。我们的太阳在到达红巨星阶段时也可能会发生类似的事情。


太阳(右上角最小的)、变成红巨星后的太阳(右上角太阳下方,与橙巨星大角类似)和红超巨星心宿二(最大的那个)的比较

因此在碳成为季军的半路上,杀出了个程咬金。当质量足够大的恒星开始碳聚变时,碳几乎会全部转变成氧。当恒星爆发时,氧的含量会比碳多得多。

如果我们对超新星遗迹和行星状星云进行观察,就会发现那里氧的含量都要明显高于碳。而且也没有任何一种重元素的含量能够超过氧。

因此,在当今的宇宙中,氢和氦的含量排在第一和第二。排在第三的是氧,随后是碳、氖、氮、镁、硅和铁,硫排在第十。

那么未来呢?

在很长一段时期内,在宇宙的年龄至少达到当前的数千甚至数百万倍前,宇宙中的恒星仍将不断地形成,直到它们的燃料全被抛入星系际空间,或被完全耗尽。

那时,氦有可能将取代氢,成为宇宙中含量第一的元素;但如果宇宙中隔离的、未被消耗的氢足够多,氢的含量仍会排在第一。在极其遥远的未来,由于未被抛出星系的物质,会被反复地利用进行聚变,碳和氧的含量可能会超过氦;今天排名第三和第四的元素,也许有一天会登上冠军和亚军的宝座。


很久以后将合并成一颗恒星的两颗褐矮星。这类天体在经历了足够长的时间后,最终会触发核聚变

我们无法下确切的定论,因为宇宙一直在变化。今天,氧是宇宙中含量第三的元素,但在极其遥远的未来,排名有可能上升,氢和氦的含量也有可能会下跌。

别忘了那些逝去的恒星,我们呼吸的氧,都是由它们提供的。

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