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深度科普:恒星核聚變?yōu)楹蔚借F元素就停了?

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從古至今,人類一直都在不斷的研究和探索世界的奧秘,古時候由于人類的科技不夠強(qiáng)大,所以古人認(rèn)為我們的地球就是唯一的世界,月球和太陽都在圍繞地球轉(zhuǎn)動,不過隨著人類科技的進(jìn)步,人類對世界的了解越來越多,現(xiàn)在我們已經(jīng)知道,地球其實就是太陽系中的一顆行星,在太陽系中一共有八大行星,它們分別是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星,不過在八大行星當(dāng)中,地球是唯一一顆誕生了生命的星球,生命的出現(xiàn)給地球增添了很多色彩,尤其是人類出現(xiàn)以后,解開了地球上更多的奧秘。根據(jù)科學(xué)家的研究我們能夠知道,我們的太陽其實就是一顆恒星。


太陽的形成能夠追溯到46億年前,它的前身是銀河系獵戶座旋臂附近的一片分子云,主要由氫、氦以及少量的重元素組成,總質(zhì)量大約是太陽的數(shù)千倍,這片云團(tuán)因為自身引力處于微妙的平衡狀態(tài),但是外部擾動打破了這種平衡,科學(xué)家推測可能是附近超新星爆發(fā)的沖擊波導(dǎo)致的,也可能是星系引力擾動,導(dǎo)致云團(tuán)的內(nèi)部密度升高,密度較高的區(qū)域引力逐漸增強(qiáng),開始吸收周圍物質(zhì)向內(nèi)收縮,形成了一個密度更高的核心,這個階段被稱為是引力坍縮,隨著收縮,核心區(qū)域的物質(zhì)不斷聚集,溫度和壓力緩慢上升,原始太陽的雛形——“原恒星”開始形成,之后在引力的作用下,原恒星持續(xù)收縮,物質(zhì)從周圍的旋轉(zhuǎn)盤落入核心。


這一過程中,物質(zhì)的動能轉(zhuǎn)化為熱能,使得核心溫度快速升高,同時原恒星周圍的氣體和塵埃因為角動量形成扁平的吸積盤,太陽系的行星也是在這之后形成的,隨著收縮的持續(xù),原恒星核心的溫度從最初的幾開爾文飆升到數(shù)百萬攝氏度,當(dāng)溫度達(dá)到1000萬攝氏度時,核心的氫原子核獲得足夠的能量克服靜電斥力,發(fā)生核聚變反應(yīng),經(jīng)過科學(xué)家的研究我們能夠知道,核聚變是指氫原子核在高溫高壓下客服電荷靜力,融合成更重的原子核的過程,根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程式,核聚變因質(zhì)量虧損釋放出的能量,成為恒星發(fā)光發(fā)熱的根本來源,所有的恒星的生命初期都處于主序階段,核心氫聚變持續(xù)數(shù)百萬年到數(shù)十億年。


這個時候,恒星結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,能量通過輻射層和對流層向外傳輸,低質(zhì)量恒星氫燃料效率較低,壽命能夠達(dá)到萬億年,而大質(zhì)量的恒星則因高溫高壓快速消耗氫燃料,主序期僅僅持續(xù)數(shù)百萬年,不過恒星的核聚變到鐵元素就停止了,因為在元素周期表中,鐵元素(Fe)擁有最高的比結(jié)合能。當(dāng)輕元素(如氫、氦)通過核聚變逐步形成鐵時,每步反應(yīng)都會釋放能量,因為生成的新原子核比結(jié)合能更高,質(zhì)量虧損轉(zhuǎn)化為能量。例如,氫聚變成氦釋放能量,氦聚變成碳釋放能量,依次形成氧、氖、鎂等元素,直至鐵。這一過程中,核聚變釋放的能量對抗了恒星自身的引力,維持著恒星的穩(wěn)定。


然而,鐵元素的比結(jié)合能達(dá)到了峰值,這意味著無論是將其拆解還是繼續(xù)聚合,都需要輸入額外的能量。當(dāng)鐵原子核試圖與其他核子聚變時,反應(yīng)不僅無法釋放能量,反而會吸收能量,形成“吸能反應(yīng)”。這種能量收支的逆轉(zhuǎn)打破了恒星內(nèi)部的平衡——核聚變產(chǎn)生的向外輻射壓無法再抵消恒星質(zhì)量帶來的引力,導(dǎo)致恒星內(nèi)核在引力作用下急劇坍縮。因此,鐵元素成為了恒星核聚變的天然終點。而然想要更重的元素形成,就需要其它方式,比如說超新星爆發(fā),這是宇宙中最劇烈的天體活動之一,是大質(zhì)量恒星生命終結(jié)時發(fā)生的災(zāi)難性爆炸,這種爆炸釋放的能量非常巨大,短時間內(nèi)亮度可能和整個星系相當(dāng),能夠在瞬間產(chǎn)生比太陽一生釋放的能量總和還要多。


一般來說,超新星爆發(fā)發(fā)生在質(zhì)量大于8倍太陽質(zhì)量的大質(zhì)量恒星生命末期。恒星在核聚變階段會依次將氫、氦等元素聚變?yōu)楦氐脑?,直至核心形成鐵元素。由于鐵的核聚變無法釋放能量,核心失去向外的輻射壓力,無法抵抗自身巨大的引力,會在萬分之一秒內(nèi)急劇坍縮。核心坍縮過程中,質(zhì)子和電子被壓合形成中子,釋放出大量中微子,同時外層物質(zhì)被猛烈反彈,引發(fā)劇烈爆炸。恒星內(nèi)部只能合成到鐵元素,而金、銀、鈾等更重的元素,幾乎都是在超新星爆發(fā)的高溫高壓環(huán)境中通過快中子俘獲過程形成的。這些元素被拋射到宇宙空間后,成為新恒星、行星乃至生命形成的物質(zhì)基礎(chǔ)——地球上的黃金、組成人體的碳元素等,都可能來自遠(yuǎn)古的超新星爆發(fā)。


而中子星是超新星爆發(fā)后留下的超高密度的天體,它的質(zhì)量和太陽相當(dāng)卻壓縮在直徑僅20公里的范圍內(nèi),當(dāng)兩顆中子星碰撞時,會產(chǎn)生的引力波和釋放巨大的能量,相對于超新星,中子星合并更加擅長生成極重的元素,其合成效率更高而且環(huán)境更加穩(wěn)定,理論模擬顯示,這類事件可解釋宇宙百分之20的重元素,尤其是貴金屬和稀土元素,部分重元素(如鍶、鋇)可通過“慢中子俘獲過程”在紅巨星內(nèi)部形成。紅巨星演化后期,氦燃燒層與碳氧層之間形成中子源,較輕核通過緩慢捕獲中子逐步增長質(zhì)量。這一過程需較長時間和溫和環(huán)境,生成的元素豐度依賴于恒星年齡與金屬含量。s-process與r-process共同作用,填補(bǔ)了鐵至鈾之間元素的合成空白,使元素周期表得以完整。


其實宇宙中的重元素形成,是恒星生命循環(huán)和極端天體所產(chǎn)生的,從大爆炸的氫元素種子到恒星內(nèi)部核聚變,超新星爆發(fā)到中子星的引力碰撞,每一個階段都能夠產(chǎn)生一些重元素,這些元素不僅僅是宇宙演化的遺跡,更是生命和文明的基石,我們的地球能夠誕生生命,其實也是因為元素,科學(xué)家推測在地球形成初期,環(huán)境非常惡劣,火山頻繁噴發(fā),大氣富含甲烷、氨、水蒸氣、二氧化碳等等,在1953年的時候,米勒-尤里實驗?zāi)M原始大氣環(huán)境,通過火花放電生成了氨基酸等有機(jī)分子,證明了無機(jī)物能夠在自然條件下合成生命基礎(chǔ)物質(zhì),此外,最新研究顯示,太陽高能粒子撞擊地球早期大氣,可能更高效的促成了氨基酸和其它元素的形成,其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過閃電。


有很多人認(rèn)為,地球生命的出現(xiàn)即是必然,也是偶然,必然性在于地球具備了獨特的條件:適宜的溫度、液態(tài)水、豐富的化學(xué)元素,穩(wěn)定的行星環(huán)境,偶然性則體現(xiàn)在無數(shù)巧合,恰到好處的隕石撞擊帶來的有機(jī)物,恰到好處的化學(xué)反應(yīng)路徑,恰到好處的演化時機(jī),正如美國化學(xué)家哈羅德.尤里所言:生命誕生是所有條件吻合下的奇跡,如果按照現(xiàn)在的宇宙學(xué)模型來看,我們所看到的一切,其實都是宇宙大爆炸的產(chǎn)物,在138億年前,有一顆奇點發(fā)生了爆炸,奇點是一個質(zhì)量無限大、能量無限大、熱量無限大、密度無限大、體積無限小的點,這個點爆炸以后,我們的宇宙快速的向四周膨脹,經(jīng)過138億年的時間,我們的宇宙才膨脹成現(xiàn)在所看到的樣子。


所以說,宇宙中的元素其實也都是來自于宇宙大爆炸,至于我們的宇宙為什么發(fā)生大爆炸?目前科學(xué)家也無法給出一個準(zhǔn)確的答案,而且在科學(xué)界有很多人猜測,我們的宇宙可能是由其它宇宙衍生出來的一個分支,而其它的宇宙也可能是我們的宇宙所衍生出來的,雖然這些目前還都只是科學(xué)家的一種猜測,但是未來隨著人類科技的進(jìn)步,人類對宇宙的了解一定會變得越來越多,小編認(rèn)為,人類是地球上最有智慧的生命,從人類誕生以后就開始不斷的研究和探索世界的奧秘,這么多年過去了,人類已經(jīng)對世界有了一定的認(rèn)知,而且也揭開了宇宙中很多的奧秘。

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