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宇宙中各种不同原子量的物质都是怎么生成的?

除了氢元素以外的各种元素都是在恒星的生命过程中形成的。

由于目前的物理学并没有弄清楚引力的产生原因和星球之间的引力相互作用问题,所以根本算不准恒星的质量。实际情况是恒星都是由实体物质构成的,太阳的真实密度至少要比目前认识的大上5倍之多。太阳表面就是液态物质,这是简单观察就能够确定的。太阳耀斑爆发抛射的物质能够以极快的速度返回,就已经毫无疑问地明确了太阳是实体星球,如果太阳是气体星球,抛射的也是气态物质,那么就会象原子弹的蘑菇云一样膨胀才对,而绝不会出现快速下落的情况。

宇宙中各种不同原子量的物质都是怎么生成的?

由于太阳一类恒星都是实体星球,她们吸收的是最简单最原始的氘元素(氘元素是原始零性态空间分化质能、形成氕氢和中子后自然组合的最基础物质,请参看我以前的答题)。恒星的内部压力足于制造任何重元素。即便聚合形成铁元素真的要吸收能量,由于太阳内部合成轻元素释放的能量十分巨大,且难于挥发,所以也足于提供合成重元素需要的能量。况且,合成铁元素需要吸收能量只是一种猜测,并无实际证据。

星球的最终结果都是产生超新星爆发,超新星爆发将恒星一生所制造的物质元素抛撒于广袤的宇宙空间,就是为了繁衍子孙星球、繁衍生命万物提供的物质基础。宇宙的发展,就是在元素的制造与积累,星球的繁衍与成长过程中实现的。

如果要追根溯源的话,组成物质的不同原子均是源自宇宙大爆炸。在宇宙刚刚诞生之时,由于密度和温度极高,任何元素都没有形成。到了大爆炸之后三分钟,随着宇宙空间经历了暴涨和膨胀的过程,宇宙的温度大幅下降,此时质子和中子得以稳定的存在。质子和中子在高温高压的环境中结合形成了氘原子核、氦原子核、锂原子核以及铍原子核,这个过程被称为太初核合成,仅持续了不到二十分钟。最终的结果形成了75%的氢原子核(质子)和25%的氦原子核,其他几种原子核的占比极少。大约在38万年后,宇宙的温度变得足够低,使原子核俘获电子形成了中性原子。因此,在宇宙早期,宇宙中几乎只有氢和氦两种元素,比铍更重的元素是不存在的。

宇宙中各种不同原子量的物质都是怎么生成的?

直到宇宙诞生一两亿年之后,弥漫在宇宙中的氢和氦的气体云开始坍缩形成恒星。在恒星的核心区域,氢会被核聚变为氦,氦又能聚变为碳。如果恒星的质量超过太阳8倍,这个过程可以一直持续到生成铁,然后猛烈爆发为超新星。在此期间,还会合成更重的元素,比如钙、金、铂等重元素。在46亿年前,正是由于一颗超新星的冲击波引发了太阳星云坍缩为太阳系,并给太阳系中注入了重元素,地球上的重元素均是来自于此。如果没有大质量恒星产生的重元素,地球上也就不可能存在包括人类在内的所有生命。

此外,根据今年观测到的首例双中子星合并事件,宇宙中的重元素可能有一大部分是来自于这个过程。

生产不同原子量原子的过程就是核反应。我们一般所说的化学反应是分子间的反应,不会改变原子量。核反应前后的核子质量都会有变化,因此会释放/吸收大量的能量。

较轻的原子在恒星内部就能形成。比如太阳内部就不停地在生产氦元素。太阳内的反应是氢原子经过复杂的反应,最终生成氦。而在太阳到了晚期变成红巨星并可能发生超新星爆炸后会形成更重的元素。

而碳这类元素是在比太阳更重的恒星内部发生的,一般质量在太阳的1.3倍以上。这种聚变反应称之为CNO循环。即碳氮氧循环,也就是会持续生成最终为氧气的元素。

宇宙中各种不同原子量的物质都是怎么生成的?

超新星爆炸中最终能生成的元素是铁。生成这种较重元素的过程叫做快速融合(r-process)。比氧重的元素大部分都是在超新星爆炸的快速融合过程中产生的。

之前认为超新星爆炸还能产生金这种元素,最近计算研究表示应该不大可能。于是比铁更重的元素,目前认为是在白矮星、中子星融合的过程中产生的。所以在宇宙中的数量比较少。

最近发现的由中子星合并形成的引力波就是这一种现象。每当中子星合并的时候就会有大量金这一类重元素行程并被抛射到宇宙空间中。

PS:未经同意不得转载(图片来源网络)

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