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恒星核聚變只能到鐵元素,那麼比鐵更重的元素從哪里來的?
2023/03/28

我們的起源于138億年前的大爆炸,宇宙誕生之后,開始逐漸冷卻,然后形成了氫元素和氦元素。宇宙初期只有這兩種元素,而且以氫元素為主。

但我們知道元素周期表里自然元素有多達94種,數量眾多的元素到底是從哪里來的呢?首先我們需要從恒星的核聚變講起。

恒星的質量通常都很大,拿我們的太陽來講,它占據了整個太陽系質量的99.86%,擁有絕對的統治地位。

由于恒星質量很大,意味著超強的引力,引力會不斷擠壓恒星物質,讓外層物質不斷向核心坍縮。 在這個過程中,核心溫度和壓力急劇上升。

比如說,太陽核心溫度就能達到1500萬度。但即便是如此高的溫度,也并不能引發核聚變,那麼太陽為什麼會發生核聚變呢?

這多虧了微觀世界的一種奇特效應:量子隧穿效應。這種效應可以這麼通俗理解:現實世界里,想要徒手翻越一堵十米高的墻,無論如何你都做不到,那堵墻就是你的「能量勢壘」。但在量子世界你就有一定機率做得到,你有一定機率瞬間穿越「能量勢壘」的限制,到達墻的另一邊。

也就是說,在巨觀世界必須具備一定能量才能完成的事情,在量子世界即使沒有那麼高的能量,也有一定機率會發生,只是這個機率非常小罷了。

雖然機率很小,但太陽核心的微觀粒子數量足夠多,小機率事件在龐大的基數面前總是會發生的,這也是太陽核心能夠發生核聚變的主要原因。

當太陽的氫燃料耗盡之后,氦會繼續聚變,成為更重的元素。只要恒星質量足夠大,核聚變就能一直進行,一直到鐵元素,戛然而止。

為什麼到鐵元素就停止了呢?

簡單講,因為鐵元素是最穩定的元素,它的比結合能最大,何為比結合能?通俗理解就是把原子核掰開所需要的能量。

而要掰開鐵原子核所需的能量是最大的,所以鐵是最穩定的。 這意味著想要讓鐵元素繼續聚變,就需要外界提供巨大能量。而恒星核聚變一般都是釋放能量,到了鐵元素不但不能釋放能量,反而需要吸收能量才能進行下去,核聚變自然也就失去了意義,不能再進行下去了。

雖然普通的恒星核聚變不是讓鐵繼續聚變,但理論上只要外界能提供足夠多的能量,鐵元素仍然可以通過吸收能量繼續聚變成更重的元素,這就需要非常極端的宇宙事件才能觸發鐵元素聚變下去。

超新星爆發就是這種極端的宇宙事件。質量足夠的恒星聚變到鐵之后便停止了核聚變,沒有了核聚變產生的外推力的制約,萬有引力開始占據絕對上風,恒星物質開始急劇向內坍縮,不斷撞擊恒星中心的鐵核。

撞擊過程給鐵帶去了極大的能量,足以引發鐵元素繼續聚變下去,產生更重的元素。 而撞擊的同時也產生了超強的反作用力,這種力量無比強大,把恒星外層物質拋灑到浩瀚星際空間,成為下一代恒星和行星的原材料。

整個過程就被稱為超新星爆發,爆發瞬間會產生超強能量,短短幾秒鐘產生的能量比太陽一生釋放總能量的幾十億倍還要多。

超新星爆發之后,外層物質被拋灑到浩瀚太空,只留下致密的內核,也就是中子星或者黑洞。內核質量大約太陽質量的三倍,會形成黑洞,小于太陽質量三倍的內核會形成中子星。

中子星就是電子被壓縮到原子核上,與質子結合成中子形成的致密天體。通俗來講,中子星的內部結構與原子核很相似,密度非常高。而黑洞超出了我們的認知范圍,因為黑洞本身其實就是體積無限小的奇點,所有的物質都被壓縮到奇點上,無法想象奇點是什麼樣的存在方式。

超新星爆發并非是唯一產生重元素的方式。通過不斷深入探索,科學家們還發現中子星碰撞同樣能釋放超強能量,引發鐵元素聚變成更重的元素。

宇宙中,科學家們發現中子星通常會「結伴而行」,圍繞彼此旋轉,在旋轉過程中可能會發生碰撞然后合并成更大的中子星甚至黑洞。

如今我們佩戴的金銀首飾等各種重金屬,其實都是億萬年前的超新星爆發或者中子星碰撞形成的,不得不感嘆宇宙的奇跡!

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