恒星核聚变只能到铁元素,那么比铁更重的元素从哪里来的?
我们的起源于138亿年前的大爆炸,宇宙诞生之后,开始逐渐冷却,然后形成了氢元素和氦元素。宇宙初期只有这两种元素,而且以氢元素为主。
但我们知道元素周期表里自然元素有多达94种,数量众多的元素到底是从哪里来的呢?首先我们需要从恒星的核聚变讲起。
恒星的质量通常都很大,拿我们的太阳来讲,它占据了整个太阳系质量的99.86%,拥有绝对的统治地位。
由于恒星质量很大,意味着超强的引力,引力会不断挤压恒星物质,让外层物质不断向核心坍缩。在这个过程中,核心温度和压力急剧上升。
比如说,太阳核心温度就能达到1500万度。但即便是如此高的温度,也并不能引发核聚变,那么太阳为什么会发生核聚变呢?
这多亏了微观世界的一种奇特效应:量子隧穿效应。这种效应可以这么通俗理解:现实世界里,想要徒手翻越一堵十米高的墙,无论如何你都做不到,那堵墙就是你的"能量势垒"。但在量子世界你就有一定概率做得到,你有一定概率瞬间穿越"能量势垒"的限制,到达墙的另一边。
也就是说,在宏观世界必须具备一定能量才能完成的事情,在量子世界即使没有那么高的能量,也有一定概率会发生,只是这个概率非常小罢了。
虽然概率很小,但太阳核心的微观粒子数量足够多,小概率事件在庞大的基数面前总是会发生的,这也是太阳核心能够发生核聚变的主要原因。
当太阳的氢燃料耗尽之后,氦会继续聚变,成为更重的元素。只要恒星质量足够大,核聚变就能一直进行,一直到铁元素,戛然而止。
为什么到铁元素就停止了呢?
简单讲,因为铁元素是最稳定的元素,它的比结合能最大,何为比结合能?通俗理解就是把原子核掰开所需要的能量。
而要掰开铁原子核所需的能量是最大的,所以铁是最稳定的。这意味着想要让铁元素继续聚变,就需要外界提供巨大能量。而恒星核聚变一般都是释放能量,到了铁元素不但不能释放能量,反而需要吸收能量才能进行下去,核聚变自然也就失去了意义,不能再进行下去了。
虽然普通的恒星核聚变不是让铁继续聚变,但理论上只要外界能提供足够多的能量,铁元素仍然可以通过吸收能量继续聚变成更重的元素,这就需要非常极端的宇宙事件才能触发铁元素聚变下去。
超新星爆发就是这种极端的宇宙事件。质量足够的恒星聚变到铁之后便停止了核聚变,没有了核聚变产生的外推力的制约,万有引力开始占据绝对上风,恒星物质开始急剧向内坍缩,不断撞击恒星中心的铁核。
撞击过程给铁带去了极大的能量,足以引发铁元素继续聚变下去,产生更重的元素。而撞击的同时也产生了超强的反作用力,这种力量无比强大,把恒星外层物质抛洒到浩瀚星际空间,成为下一代恒星和行星的原材料。
整个过程就被称为超新星爆发,爆发瞬间会产生超强能量,短短几秒钟产生的能量比太阳一生释放总能量的几十亿倍还要多。
超新星爆发之后,外层物质被抛洒到浩瀚太空,只留下致密的内核,也就是中子星或者黑洞。内核质量大约太阳质量的三倍,会形成黑洞,小于太阳质量三倍的内核会形成中子星。
中子星就是电子被压缩到原子核上,与质子结合成中子形成的致密天体。通俗来讲,中子星的内部结构与原子核很相似,密度非常高。而黑洞超出了我们的认知范围,因为黑洞本身其实就是体积无限小的奇点,所有的物质都被压缩到奇点上,无法想象奇点是什么样的存在方式。
超新星爆发并非是唯一产生重元素的方式。通过不断深入探索,科学家们还发现中子星碰撞同样能释放超强能量,引发铁元素聚变成更重的元素。
宇宙中,科学家们发现中子星通常会"结伴而行",围绕彼此旋转,在旋转过程中可能会发生碰撞然后合并成更大的中子星甚至黑洞。
如今我们佩戴的金银首饰等各种重金属,其实都是亿万年前的超新星爆发或者中子星碰撞形成的,不得不感叹宇宙的奇迹!
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