天然元素从哪来 宇宙熔炉无所不能

王善钦

2018年04月19日08:43  来源:科技日报
 
原标题:天然元素从哪来 宇宙熔炉无所不能

  氦聚变形成氧元素的过程

  大质量恒星的内部结构

  超新星1987A爆发后留下的遗迹

  双中子星并和模拟图

  近日,天文学家将目光对准仙后座A和蟹状星云这两个著名的超新星遗迹,发现宇宙中磷的数量远低于我们的想象。磷元素多形成于超新星爆发,是许多重要生命活动的必要元素。这项研究让天文学家对寻找外星生命有了新看法,也让人们再次体会到近在身旁的元素与遥远的星星们之间的微妙联系。那么,元素周期表上的天然元素,与星星们到底有何联系?

  来自宇宙起点的氢和氦

  大约138亿年前,宇宙从一个极端致密的“点”爆炸开来,然后急速膨胀。原始的宇宙中有电子和其他各种基本粒子。仅几小时之后,氢和氦就已形成,同时还有极少量的锂和铍。

  氢,虽然在现在的地球上看似微不足道,却是宇宙万物的老祖宗。当氢气团的中心温度达到几千万摄氏度时,中心的氢就会发生“聚变”,转变为氦,这代表着恒星的诞生。第一批恒星在宇宙大爆炸后约1亿多年就开始形成。这些恒星不仅照亮了黑暗的宇宙,更引发后续的各种反应。

  小巧紧致的锂工厂

  如果恒星的质量不超过太阳的8倍,它们的中心最多只能由氦聚变为碳和氧,而后不再燃烧。到了晚年,它外层的氢和氦脱离出去成为美丽的行星状星云,暴露出里面碳和氧构成的星体。它们的温度超过一万度,颜色发白;但它们体积很小,所以亮度很低。因此,它们被称为白矮星。

  那些类似于太阳的恒星所形成的白矮星,会在漫长的岁月里慢慢冷却、变黑。但有些白矮星的生命历程却要精彩得多,因为它们位于双星系统。组成双星的两颗恒星绕着共同的中心旋转。如果其中一颗恒星变为白矮星而另一颗依然是正常恒星,前者就会从后者那里吸走气体。

  随着气体在白矮星表面累积,白矮星表面的温度也越来越高,最终气体被点燃,发出一阵强光,仿佛枯木逢春、回光返照。这个现象被称为新星。这个过程除了发光之外,还合成了锂。宇宙中大部分锂通过这种方式形成。这个过程可以每隔一段时间就发生一次。

  恒星演化的产物

  如果白矮星吸取了太多气体或者干脆和另一个白矮星撞在一起时,就会发生猛烈而彻底的爆炸,成为超新星。但这并不是超新星形成的唯一途径。那些质量超过8个太阳质量的星体,大部分会爆炸成超新星。

  超新星会将大量轻元素烧成中等质量元素,我们元素周期表前30位的元素基本上都在这个时候之前合成或者在爆炸后合成。特别是,50亿摄氏度以上的高温可以将碳、氧或者硅烧成放射性的镍,放射性镍衰变成放射性钴,再衰变成稳定的铁。宇宙中的铁几乎都是这么形成的。

  超新星不仅发出强光,更把恒星辛辛苦苦燃烧千万年炼出的以中等质量元素为主的各种物质和爆炸后合成的物质都抛到太空,凝结成尘埃,散布在宇宙中。上述新闻中的磷就是超新星爆发前被烧出来、爆炸后被抛出去的。

  碰撞出来的黄金白银

  质量超过太阳8倍的恒星,在爆炸成超新星后,一般会在中心留下一个被严重挤压后形成的中子星或者黑洞。如果双星系统中的成员相继爆炸成超新星,而且留下来的中子星依然在这个双星系统里,这两个中子星就会在此后不断绕着共同的中心旋转,辐射出引力波,损失能量,导致轨道收缩,不断靠近,经过大约几亿年后,碰到一起。

  中子星与中子星碰撞后形成黑洞或者超级大的中子星;中子星与黑洞并合形成黑洞。在这两类碰撞过程中,都会有少部分中子星碎片被抛到太空中。中子星的碎片里一开始几乎全是中子,随后一部分中子变成质子,碎片里开始形成比铁更重的重元素,比如金、银、铀,等等。这些中子星碎片里形成的重元素也被抛洒到太空中。据估计,一对中子星碰撞所抛出的中子星碎片里形成的黄金可达到几十到几百个地球那么重。中子星碰撞后抛出的碎片不仅合成了金、银等稳定元素,还合成了大量放射性元素,他们会衰变、裂变,释放出大量能量,将碎片自身加热,使其发光,最亮时虽然没有超新星那么亮,却可以达到新星亮度的一千倍左右,因此被称为千新星。2017年8月,天文学家首次观测到双中子星并合前后发出的引力波,并在大约10小时后发现了中子星碎片形成的千新星现象,从而彻底证实了中子星并合可以合成大量重元素这个猜想。

  “我们都是星尘”

  在超新星爆炸和中子星碰撞后,它们所合成的那些元素是如何凝聚成像地球这样的行星?可以想象一个图景:约50亿年前,一团氢气裹着附近的超新星爆炸和中子星碰撞所喷发出的各种物质,缓慢旋转,形成一个巨大的盘。到大约46亿年时,氢气团内部被点燃,形成太阳;盘里的各类尘埃、沙石、水凝结成地球和其他行星。

  又经过若干亿年,一些富含水的彗星碎片陆续掉到地球,为地球贡献了大量额外的水,壮大了海洋。海洋里慢慢形成了最简单的生命,并一步步进化为鱼,部分鱼类上岸,进化成人类与其他各种陆地动植物。所以,现在我们知道:火箭里的氢来自宇宙大爆炸;氦气球里的氦来自宇宙大爆炸和恒星燃烧;手机的锂电池中的锂大多数来自白矮星驱动的新星爆发;水里面的氧元素是恒星内部合成后被超新星喷发出来的;菜刀和我们血液内的铁也来自超新星;金银等重金属大多来自中子星碰撞,而中子星来自超新星爆炸,所以它们间接地来自超新星。

  著名的科普作家卡尔·萨根曾经说过一句名言:“我们都是星尘。”地球上的92种自然元素都来自宇宙中的各种活动。现在,凭借天文学家的多年努力,我们可以更清晰地知道构成我们身体和宇宙万物的星尘的具体来源,知道元素周期表中的天然元素分别来自哪些天体物理过程。

  (作者系南京大学天文与空间科学学院、加州大学伯克利分校天文系博士生)

  (此稿件图片来源于网络)

(责编:张歌、吴亚雄)

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