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第17章 恒星造元素

 靖薄_52赫兹鲸 2022-06-27 发布于河北

恒星诞生于“宇宙黑暗时代”,从它诞生那一刻起就开始制造一种新的元素——氦,而宇宙中的其它元素,就要通过恒星的死亡来创造。

恒星的寿命取决它自身质量的大小,质量更大的恒星其热核聚变反应就越剧烈,寿命就会越短,其可以生产出来的元素就更多,更重。科学界根据恒星的质量和热量的不同,把恒星分为了O B A F G K M七个等级,而每个等级又细分为0-9, 其中O最热最大(0-9里,0是最热最大),那么总体来说O0,就是最热最大的,我们的太阳是G2(表面温度是 5800 K,就是5526.85 摄氏度)。

所有类型的恒星,从超大质量的O级恒星到无数微小的M级恒星,一生都是以燃烧氢,即氢的热核聚变为主。当其核心的氢燃烧殆尽时,到了晚年都会膨胀成一个红巨星或者是红超巨星,在氦核周围的外层中继续燃烧氢,使氦核堆积的越来越大。当氦核内的温度、压力和密度变得足够高时,氦原子开始聚变,每三个氦原子就会变成一个碳原子。

由于氦比氢更稳定,在氦发生聚变反应生成碳的时候会释放出更多的能量,此时如果恒星质量不够大,级别不够高的话,如K级恒星,核心氦燃料耗尽时,核心会把外层“吹成”行星状星云,而这时核心会随着时间的推移慢慢收缩,产生一颗白矮星,其质量与太阳相当,但物理尺寸与地球相当。

而质量更大的恒星会继续将较重的碳聚变成氧气和氖等物质,最内层的原子会融合成越来越重的元素。但是,即便一颗明亮、巨大、蓝色的A星,也只能将原子熔合到硅和硫。其实包括B星在内的绝大多数恒星的命运仍然是“吹走”外层的氢,形成行星状星云,在中心留下一颗地球大小的白矮星。

宇宙每制造800颗恒星中,大约就有一颗恒星的质量足以将元素继续熔合成更重的元素:铁、镍和钴,这是恒星融合元素的极限。因为在铁元素之前恒星一直在把较轻的元素熔合成较重的元素,每一步都在释放能量。但是现在,核心的铁原子承受着巨大的压力,它们已经无法释放出更多的能量了。聚变需要的能量比它们融合后释放的能量要多得多,所以核心只能停止聚变。

对于质量超过太阳8倍的恒星来说,铁核的质量有一个极限,这个极限大约是太阳质量的1.38倍,当达到或超过这个极限时,核心的铁原子就会坍缩、瞬间被摧毁,同时释放出惊人的能量,形成超新星爆发,核心会一路坍缩成中子星(相当于太阳的质量,但大小相当于一颗中等大小的小行星)或黑洞。

超新星的爆发,不仅将恒星一生的产物抛回到星际介质中,还将产生元素周期表中所有已知的元素。不仅能制造出地球目前自然存在的铀元素,还能制造钚、铯以及质量更高、寿命更短的元素。

超新星爆发还有另外一种途径:那些燃烧完燃料并收缩成白矮星的恒星核,可以从伴星上吸积物质,也可以与另一颗白矮星发生合并,一旦压缩白矮星原子的总质量超过原子本身所能承受的极限,这颗死亡恒星的核心就会开始坍缩。不过,白矮星的核心中可不是铁,它们主要是碳。只要不到一秒钟,压缩的高温就会重新点燃碳聚变,并发生失控的聚变反应,然后摧毁整个白矮星。

以上就是超新星爆发的过程和机理,也是恒星死亡的过程,也是宇宙中所有非氢和氦元素如何形成的过程。所有比铁重的元素都必须来自超新星的爆发。我们目前已知的所有的物质,都是由恒星制造出来的这些元素,再经过各种化合、混合而呈现出来的形态。

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