我們身邊的黃金、鉑金,手機(jī)里的稀土元素,甚至人體中的碘、鋅 —— 這些比鐵更重的元素,究竟來(lái)自哪里?要知道,恒星內(nèi)部的核聚變到鐵元素就會(huì) “按下暫停鍵”,可宇宙中卻遍布著各種重元素。
這背后,藏著宇宙中最劇烈、最壯麗的天體事件,正是這些極端過(guò)程,為宇宙 “鍛造” 出了珍貴的重元素。
首先要弄明白:為何恒星核聚變到鐵就會(huì)停止?恒星的能量來(lái)自核心的核聚變 —— 氫聚變成氦,氦聚變成碳、氧,再一步步合成氖、鎂,直到鐵元素。
這一過(guò)程中,輕元素聚變會(huì)釋放能量,維持恒星的穩(wěn)定。但鐵的原子核結(jié)構(gòu)極其特殊,它的核子結(jié)合能是所有元素中最高的 —— 簡(jiǎn)單說(shuō),把鐵原子核拆開(kāi)需要消耗的能量,比讓它聚變成更重元素釋放的能量還多。就像 “做買賣會(huì)虧本”,恒星核心的核聚變到鐵時(shí),不僅無(wú)法供能,還會(huì)瞬間失去平衡,這也注定了鐵是恒星聚變的 “終點(diǎn)”。
可宇宙中的重元素,恰恰是在恒星 “生命終結(jié)” 的劇烈事件中誕生的,主要有三大 “重元素工廠”。
第一個(gè) “工廠” 是超新星爆發(fā)。當(dāng)大質(zhì)量恒星(質(zhì)量超過(guò) 8 倍太陽(yáng))核心聚變成鐵后,能量供應(yīng)突然中斷,外層物質(zhì)在引力作用下急劇向核心坍縮,隨后發(fā)生猛烈反彈,形成威力堪比百億顆氫彈的超新星爆發(fā)。
這一過(guò)程中,極端的高溫(可達(dá)數(shù)十億度)和高壓,會(huì)將鐵原子核與大量中子、質(zhì)子 “強(qiáng)行拼接”,像搭積木一樣合成金、銀、鉛等重元素。爆發(fā)產(chǎn)生的巨大沖擊波,會(huì)將這些新形成的重元素拋向宇宙空間,成為星際物質(zhì)的一部分。比如 1987 年觀測(cè)到的超新星 SN 1987A,其爆發(fā)后就檢測(cè)到了大量重元素的信號(hào)。
第二個(gè) “工廠” 是中子星合并。
中子星是大質(zhì)量恒星超新星爆發(fā)后留下的致密殘骸,一顆中子星的質(zhì)量可達(dá)太陽(yáng)的 1.4 倍以上,密度卻高得驚人 —— 一立方厘米的中子星物質(zhì),質(zhì)量能達(dá)到 1 億噸。當(dāng)兩顆中子星在引力作用下相互繞轉(zhuǎn)并最終碰撞合并時(shí),會(huì)釋放出海量的中子和能量。這些中子會(huì)被周圍的原子核 “俘獲”,形成比鐵重得多的元素,比如鉑、鈾,甚至是一些放射性元素。2017 年,人類首次探測(cè)到雙中子星合并產(chǎn)生的引力波,同時(shí)觀測(cè)到了大量重元素(如鍶)的合成,直接證實(shí)了這一 “重元素工廠” 的存在。
第三個(gè) “工廠” 是白矮星爆發(fā)(Ia 型超新星) 。
白矮星是中小質(zhì)量恒星(類似太陽(yáng)質(zhì)量)演化的終點(diǎn),當(dāng)它通過(guò)吸積從伴星獲得足夠物質(zhì),質(zhì)量達(dá)到太陽(yáng)的 1.44 倍(錢德拉塞卡極限)時(shí),會(huì)發(fā)生劇烈的熱核爆炸,即 Ia 型超新星爆發(fā)。雖然這種爆發(fā)的劇烈程度不如大質(zhì)量恒星的超新星爆發(fā),但仍能在高溫高壓環(huán)境下,合成部分中重元素(如鎳、鈷),并將它們拋入宇宙。
這些重元素在宇宙空間中不斷飄散、混合,最終會(huì)成為新恒星、行星形成的 “原材料”。我們的太陽(yáng)系,正是在 50 億年前,由包含大量重元素的星際云團(tuán)坍縮形成的 —— 地球中的黃金、巖石里的鈾,甚至我們身體里的微量元素,都是數(shù)十億年前超新星爆發(fā)或中子星合并的 “遺產(chǎn)”。
從恒星聚變的 “終點(diǎn)” 鐵,到遍布宇宙的重元素,宇宙用最劇烈的天體事件,完成了元素的 “升級(jí)”。每一塊黃金、每一部手機(jī)里的重元素,都是宇宙壯麗歷史的 “見(jiàn)證者”,它們的存在,也讓我們更深刻地理解:人類與浩瀚宇宙,本就是緊密相連的整體。
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