恆星核聚變到鐵元素就停了,那麼比鐵更重要的元素來自哪裡?

2022年06月26日01:24:02 科學 1189

根據現有主流理論,我們的宇宙起源於一次大爆炸,138億年前的大爆炸產生了宇宙萬物,在宇宙誕生之初,只有兩種元素,而且大部分都是氫元素,還有一部分氦元素。而如今我們的世界有一百多種元素(加上人工合成的)。如此眾多的元素到底是怎麼來的呢?

恆星,堪稱元素合成的「工廠」,恆星核心一直在進行著核聚變,而別鐵更輕的元素都是通過恆星核聚變產生的。

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那麼比鐵更重的元素是如何產生的呢?

首先我們了解一下恆星是如何製造元素的。拿我們的太陽為例,太陽質量達到地球質量的33萬倍,核心溫度高達1500萬度,壓力也非常大。

但即使這樣恐怖的環境也難以進行核聚變,也就是說,太陽自身硬條件本不會發生核聚變。但是如今的太陽確實在進行核聚變,這到底是怎麼回事呢?

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這多虧了量子力學中的量子隧穿效應。可以這麼通俗理解這個效應:本來需要更多的能量才能發生的事情,但在微觀世界即使能量不夠也有很小的概率發生。

這就像我們翻越一座山,需要爬到山頂,但在微觀世界就不需要了,有一定概率直接穿越到山的另一邊。

雖然發生量子隧穿效應的幾率很小,但由於太陽的質量很大,微觀粒子不計其數,在龐大的基數面前,總有一些粒子會突破能量限制發生核聚變。也正因為如此,太陽核聚變的速度才比較緩慢,否則很快就燃燒完了。

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氫元素核聚變成為氦元素,只要恆星的質量足夠大,核聚變就可以一直進行下去,結果就像洋蔥一樣,最核心部分是更重的元素,最外層是氫元素。

但是,恆星核聚變到鐵元素就戛然而止了,這是為什麼呢?

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簡單說,因為鐵元素最穩定,鐵元素的比結合能最大,通俗理解就是:把鐵原子核掰開需要更大的能量。

也就是說,要想讓鐵繼續聚變,就需要更大的能量輸入,所以結果就是別的元素核聚變產生能量,而鐵元素聚變不但不釋放能量,反而需要吸收能量。一般的恆星是達不到這個條件的。

需要更猛烈的宇宙事件,才能讓鐵元素繼續聚變成更重的元素,比如說超新星爆發

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在大質量恆星(通常是太陽質量的3倍以上)死亡的過程中,沒有了核聚變來對抗向內的引力,恆星物質開始急劇向內坍縮,恆星核心溫度和壓力迅速上升,外層物質不斷撞擊恆星核心。

到了一定臨界點,在足夠高的溫度和壓力條件下,有足夠多的能量讓鐵元素繼續聚變下去。聚變產生的巨大力量,加上外層物質撞擊內核產生的反作用力,讓死亡的恆星發生劇烈爆炸,外層物質被拋灑到浩瀚星際空間。

這就是超新星爆發!

超新星爆發堪稱宇宙大爆炸以來最猛烈的大事件,也由此產生了比鐵更重的元素,比如說如今我們經常看到的金銀等元素。而拋灑到星際空間的恆星物質成為下一代恆星行星的原材料。

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超新星爆發並不是產生重元素的唯一方式,還有比如說中子星碰撞,也能產生重元素!

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