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一口气搞懂︱金元素以及所有重元素的身世之谜

2019-08-01  零壹贰012

“不要为了得到这个世界而失去你的灵魂;智慧胜过金银。”——鲍勃·马利

纵观有记载的人类历史,黄金令无数英雄和探险家尽折腰,黄金也一直被人们视为财富和美丽的终极象征,包括现代社会黄金也是国际上的硬通货,是一个国家对抗经济风险的财富储备。大家都知道黄金以其稳定性和稀有性所著称,但是我们回想下貌似从来也没有听说过大爆炸和普通恒星聚变产生了金元素,那么问题来了:宇宙中的黄金是怎么诞生的?

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我们先来看看元素周期表,黄金在元素周期表上的位置稍微靠上一点,位于元素79号,这使得金元素成为宇宙中最重的、稳定的、自然存在的元素之一。其实还有三种较重的元素汞、铊和铅也很稳定。

一口气搞懂︱金元素以及所有重元素的身世之谜

宇宙中的元素始祖——,是在大爆炸期间产生的,相对较轻的元素是在早期的恒星聚变中产生的,恒星死亡后并把自己一生锻造的元素重新抛洒到宇宙中,但是相对较重的元素,如金的起源则更加神秘和复杂。

今天我们就浏览一下宇宙的元素历史,讨论一下包括黄金在内的重元素最有可能来自哪里

宇宙中氢、氦等轻元素来自大爆炸

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在宇宙的早期,只有一片炽热、稠密的等离子体海洋,物质和辐射的能量极高,任何两个可以相互作用的粒子都无法结合,就像我们常常听到的:那是一锅炽热的原始物质浓汤。

即使是单个质子和中子,它们之间有很强的电磁相互作用,但是在它们彼此相遇的那一刻,也会遇到一个能量足够大的光子会把它们'一脚'踢开,这时的宇宙温度不允许有任何较重原子核的存在。

然而,随着时间的推移,随着宇宙在快速膨胀下逐渐冷却,这时的辐射能量已将无法阻止粒子之间的结合了。这意味着形成的较重原子核在往后的时间内可以稳定地存在很长时间。宇宙中最轻的元素氢、氦及其各种同位素(还有少量锂),在大爆炸之后就是这样形成的。这些元素也是宇宙一开始赐予我们的“启动物质”,是万物的来源。

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恒星加工厂的产品——较重元素,并形成少量的重元素,但是丰度远远不够

又随着时间的推移,万有引力发挥了它的“魔力”,将已经冷却的物质压缩成密集的分子云,最终形成宇宙中的第一批恒星。这些恒星主要由氢和少量氦组成,被称为III族恒星:恒星中几乎没有比氦更重的元素。

随后恒星开始充当了宇宙元素加工厂,不仅在它们的核心将氢聚变成氦,而且最重的恒星将氦燃烧成碳,然后继续合成碳、氧、硅和硫等元素,直到它们核心变成铁、镍和钴!最终,当恒星的核心耗尽可燃燃料时,恒星开始塌缩,形成Ⅱ型超新星爆发!又称为核坍缩型超新星爆发!

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需要注意的是:这里说的都是大质量恒星,最少也是8个太阳质量,才会聚变到铁核。当铁核的质量大于1.44倍太阳质量(钱德拉塞卡极限,但不一定都要等于这个值),铁核会继续向内坍缩。

超新星爆发后最内层的核心会坍塌成中子星或黑洞,但最外层会被重新抛回到宇宙。这些富含氢、氦、碳、氧和其他一些相对较轻的元素被送回星际介质中,它们又会成为未来几代恒星的一部分。

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上图:斯皮策太空望远镜(红色),哈勃太空望远镜(橙色),钱德拉X射线天文台(蓝色和绿色)

同样,在超新星爆发的过程中核心中子星也会喷射出大量的中子,使比铁重得多的元素迅速形成,一路沿着周期表到达地球上所有已经衰变掉的重而不稳定的元素。

我们只找到了一部分重元素

这就是重元素形成的全部过程吗?不不不!在解释宇宙时,仅仅创造出了重元素是不够的;我们需要按照我们观察到的元素存在比例(元素丰度)来寻找它们。当涉及到相对较轻的元素,如碳、氧和硅时,它们的比例确实起源于这个过程。但重元素的比例还远远不够!

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当我们观察II族恒星时,也就是宇宙中第二代恒星,我们发现,虽然第二代恒星富含轻元素,但与我们的太阳相比,它们严重缺乏铁元素(铁元素就是26号元素)和更重的元素

我们的太阳被称为I族恒星,也就是第三代恒星,它和我们星系的其他恒星非常相似,太阳的碳、氮、氧和硅的含量比II族恒星还要多,这表明,在我们的世界诞生之前,有更多的恒星曾在我们这里生活过,燃烧过,最终变成超新星,并将自身的物质抛回到星际空间。氢元素的比例是没问题!

但是真正的重元素,从铁、锡到金,甚至更多重元素的比例,比这些超大质量恒星变成超新星所产生的重元素高得令人费解。

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宇宙元素丰度图

这些重元素的形成一定另有原因。一定是别的什么东西在创造这些重元素,而且一定是以一种不同于轻元素的方式来创造重元素!因为聚变和超新星已经指望不上了!

直到最近几十年间,我们才得到了重元素来源的理论支撑。

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宇宙中充满了早期形成的超大质量恒星遗留下来的中子星;据估计,在现存的每个银河系大小的星系中,有数十亿颗中子星。大多数情况下,这些中子星是它们恒星系统中唯一的一颗中子星,但也有特殊情况,中子也会形成是双星或三星系统

中子星偶尔会发出无线电能量束,当它们旋转时,会向我们发出“脉冲”:这就是脉冲星。就在我们的银河系中,我们发现了双星系统的证据,其中两颗恒星都是向我们发出脉冲的中子星称为双脉冲星

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根据爱因斯坦的广义相对论,我们知道像双脉冲星的轨道会随着时间的推移而衰减,如果有足够的时间,脉冲星轨道最终会互相衰减并相撞。

那么你认为当两颗中子星,也就是两个质量接近太阳的物体,一个中等城市大小,完全由中子组成的物体,相互碰撞时会发生什么?

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中子星死亡的场面十分震撼!它们可能会(也可能不会)留下一个黑洞,但肯定会发生的是,中子星在短短的时间内被彻底摧毁,将价值数千地球质量的重元素喷射到宇宙中!这是宇宙中大部分黄金、铂、汞、铅和铀的来源地,包括地球上几乎所有储存的重元素也都来自中子星。

总结

当你看到你手上、脖子上的黄金饰品时,你要感谢那些为了创造地球上的元素而生存和死亡的所有恒星,也要特别缅怀中子星,因为它经历了两次死亡:一次在超新星中,一次在伽马射线爆发中!

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据估计,每一个类似银河系的星系中,中子星的碰撞事件每10000到100000年发生一次,这意味着在太阳系形成之前,在我们的星系中大约有100到100万次中子星的合并,使星际物质中富含重元素。我们还应该想到的是,雷神之锤取自于中子星,而你手上的黄金同样也来自中子星,这意味着什么呢?

这不仅是关于黄金的宇宙故事,而且当今世界上所有重元素的宇宙故事!

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