驚奇:宇宙中最常見的第三個元素不是你所想的那個

最顯著的一個存在的事實是,我們曾經接觸過、看到過或相互作用過的每一種物質都是由同樣的兩樣東西組成的:帶正電荷的原子核和帶負電荷的電子。這些原子相互作用的方式-它們相互推拉、結合在一起、吸引和排斥,以及創造新的、穩定的分子、離子和電子能態的方式-實際上對我們周圍的整個世界都有效。

儘管是這些原子的量子和電磁性及它們的成分使我們的宇宙以我們觀察到的特性而存在,但最重要的是要認識到,宇宙初始形成時並沒有能創造我們現在所知的世界的必要成分。恰恰相反,宇宙初始時幾乎沒有這些成分。

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圖片來源:美國航天局/錢德拉X射線中心/M.韋斯

你看,為了實現這些不同的鍵結構,為了構建構成我們所感知的一切的基石的複雜分子,我們需要各種各樣的原子。請注意,不僅是需要大量的原子,而且原子在型別上表現出巨大的多樣性,這意味著原子中存在著質子數量不同的原子核:正是這樣產生了不同的元素。

我們的身體本身需要碳、氮、氧、磷、鈣和鐵等元素。我們地球的地殼本身需要矽和許多其他重元素,而地球的核心-為了產生所有的熱量-需要的元素是一直沿著週期表到我們發現的最重的自然存在元素:釷、鐳、鈾,甚至微量鈽。

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圖片來源:維基共享使用者查理斯C

但回到宇宙的早期階段,在人類出現之前,在生命出現之前,在太陽系出現之前,在岩石行星,甚至在第一顆恆星出現之前,我們所擁有的只是一片由質子、中子和電子組成的熱電離海。沒有元素,沒有原子,也沒有原子核:宇宙太熱了。是因為宇宙膨脹和冷卻,我們才能夠形成穩定的物質。

但時光流逝,我們做到了。第一個核融合在一起,沒有立即被炸開,產生氫及其同位素,氦及同位素,以及微量的鋰和鈹,後者會放射性衰變為鋰。這就是我們開始研究的宇宙:一個以原子核數計算的宇宙,大約92%的氫,8%的氦和0.00000001%的鋰。按質量計算,大約是75-76%的氫,24-25%的氦和0.00000007%的鋰。幾乎所有都是氫和氦,不管你怎麼切分。

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圖片來源:美國航天局/威爾金森微波各向異性探測器科學團隊

幾十萬年後,宇宙冷卻到可以形成中性原子的程度,幾千萬年後,引力崩塌使第一批恆星得以形成。因此,核聚變現象不僅將光帶回了宇宙,也將重元素帶入了我們的現實世界。


第一顆恆星誕生的那一刻,在大爆炸後大約5000到1億年,大量的氫開始熔化成氦。但更重要的是,最大質量的恆星(其質量約為太陽的8倍)在短短的幾萬年內就很快燃燒完這種燃料。一旦核心中的氫耗盡,氦核就會收縮,並開始將三個氦核融合成碳。大約只需要1萬億(10^12)顆宇宙中存在的這種重恆星(在最初的數億年形成的約10^22顆恆星)就可以擊敗鋰。(關於擊敗鋰備註:C可以擊敗鋰,在元素週期表中上升一位)

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圖片來源:美國國家科學基金會的尼克爾.拉格.富勒

但是否會是碳打破了記錄,並在今天成為元素週期表中第三位元素呢?你可能會認為,因為恆星把元素融合在像洋蔥一樣的層中。氦融化成碳,然後在更高的溫度下(後來的時間),碳融化成氧,氧融化成矽和硫,矽最終融化成鐵。在鏈的最末端,鐵不能融合成其他任何東西,因此核心爆炸,恆星變成超新星。

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圖片來源:美國航天局/噴氣推進實驗室-加州理工學院

這些超新星,這一步通向他們及他們餘生的步驟,使得恆星可以用所有外層來豐富宇宙,這些外層通過一些其他步驟返回氫、氦、碳、氧、矽等所有重元素:

  • 慢中子俘獲(S過程),按順序建立元素
  • 氦核與重元素(產生氖、鎂、氬、鈣等)的融合
  • 快中子俘獲(r過程),創造元素一直到鈾甚至更遠

但是我們不僅只有這一代的恆星:我們有許多恆星,而今天存在的恆星不僅主要由原始氫和氦構成,而且還由前幾代留下的殘骸構成。這很重要,因為沒有它,我們將永遠不會獲得岩石般的行星,只有巨大的氫和氦的氣體!

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圖片來源:美國航天局,歐洲空間局和 G.貝根(空間望遠鏡研究所)

數十億年來,恆星形成和恆星死亡的過程不斷重複,儘管成分越來越豐富。現在,大質量恆星在所謂的C-N-O(碳-氮-氧)迴圈中熔化氫,而不是簡單地熔氫成氦,隨著時間的推移,使碳和氧的數量趨於平衡(氮含量略低)。

此外,當恆星通過氦聚變產生碳時,很容易在其中獲得一個額外的氦原子來形成氧(甚至在氧氣中加入另一個氦來形成氖),這甚至是我們微不足道的太陽在紅巨星階段也會做的事情。

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圖片來源:英文維基百科作者櫻木博(Sakurambo)。太陽,它將成為紅巨星(就像大角星,橙色恆星),與紅色超級巨星比如最大的超級巨星心宿二相比。

但恆星有一個致命的舉動使碳在宇宙方程式中成為失敗者:當一顆恆星的質量足以引發碳聚變-這是產生II型超新星的必要條件-將碳轉化為氧的過程幾乎全完成,當恆星準備爆炸時,產生的氧氣比碳要多得多。

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圖片來源:H.邦德(空間望遠鏡研究所),R.思奧多羅(賓夕法尼亞州立大學),哈勃望遠鏡的第二代廣角行星相機,哈勃太空望遠鏡,美國航天局

當我們觀察超新星遺蹟和行星狀星雲(分別是大質量恆星和類太陽恆星的遺蹟)時,我們發現在每一種情況下,氧的質量和數量都超過碳。我們還發現,沒有其他更重的元素靠近。

是的,氫因其存在範圍廣泛而排名第一,氦因其龐大的數量而排名第二。但在剩下的元素中,氧強勢排在第三,緊隨其後的是碳(第4),氖(第5),氮(第6),鎂(第7),矽(第8),鐵(第9)和硫(第10).

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圖片來源:維基媒體共享使用者28位元組,C.C.-by-S.A.-3.0以下。這些是今天在太陽系觀測到的元素的丰度。

未來會怎樣?

經過足夠長的一段時間內,至少是現在宇宙年齡的幾千倍(可能更接近幾百萬倍),恆星將繼續形成,直到燃料被噴射到星系際空間,或者直到它完全燃燒至能去到的最遠的地方。當這種情況發生時,氦可能最終取代氫成為最豐富的元素,或者,如果從聚變反應中分離出足夠多的氫,氫可能保持第一。在超長的時間尺度上,沒有從我們的星系中噴射出來的物質可能會一次又一次地融合在一起,因此碳和氧可能有一天會超過氦;也許我們現在的第三名和第四名最終會擠進前兩名?

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圖片來源:美國宇航局/噴氣推進實驗室/雙子星天文臺/大學天文研究聯合組織/國家科學基金會

這兩顆褐矮星,經過相當長的時間尺度,將會合併成一顆恆星。也許,在足夠長的時間尺度上,大多數這樣的天體最終會引發核聚變。最重要的是要保持住,因為宇宙還在變化。氧是目前宇宙中第三豐富的元素,在非常遙遠的未來,甚至可能有機會隨著氫(然後可能是氦)從高位落下而進一步上升。每當你吸氣而感到滿足時,都要感謝在我們之前生活的所有恆星:它們是我們擁有氧氣的唯一原因!

作者: startswithabang

FY: 雪狼普雅

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