所有恒星太阳都在不断合成新元素

如题所述

是的,除了氢和少量的氦以外,大多数氦和所有比氦重的元素,都是在恒星中合成的。

在宇宙诞生早期,氢首先由质子和电子组成,并在早期宇宙的高温高压下,由氢合成出少量的氦。然后,宇宙的膨胀使温度和压力(物质密度)下降,就不足以合成出别的元素了。当宇宙中第一批恒星形成后,宇宙中开始合成其他的氦,并开始合成比氦重的元素。

恒星中元素的合成是依靠原子核的聚变反应实现的。在恒星的高温高压下,所有元素都不能以原子形态存在,都是以原子核、离子和自由电子的形态存在的,这种状态是物质以固态、液态、气态以外的第四种存在形态,叫等离子态。正是在这种等离子态,在高温高压高密度下,原子核高速运动,才能克服原子核之间的电斥力(原子核都带正电,同性相斥,相互之间是斥力,在通常情况下无法靠近),可以相互靠近到足够小的距离,使强相互作用力(也叫强力,是继引力、电磁力之后的第三种自然力)起作用,把质子和中子连在一起,组成新的、更重的原子核,成为新的元素。

恒星是靠引力聚焦起来的物质集团,宇宙中形成的第一代恒星,其成分是氢和少量的氦,还没有其他的元素。恒星中的物质向中心聚集过程中,内部的物质密度越来越高,温度的压力也越来越高。当中心温度达到约1500万℃时,就可以引发氢核聚变为氦核的核反应(这个反应在宇宙诞生早期曾经短时间地发生过),反应放出的能量形成恒星中向外的辐射压,与恒星向内的引力相平衡,使恒星得以稳定存在。由于第一代恒星中只有氢和氦两种元素,所以第一代恒星中只能发生氢核(就是质子)之间的直接碰撞并借此组合起来形成氦核,这样的反应称为质子-质子链式反应。其反应过程如下:

最终的结果是:四个氢核形成一个氦核,同时形成两个光子、两个中子和两个中微子。

生成的氦会因为质量较大而向恒星中心移动。反应的持续进行,使恒星出现一个由氦组成的恒星核,氢的聚变反应发生在氦恒星核表面。当恒星内部的氢有相当一部分转变为氦后,因为氦核表面的温度和压力与恒星中心相比要低一些,随着氦恒星核越来越大,反应强度会逐渐下降,最终会停止。这时,恒星向外的辐射压下降,恒星向内的引力增强,恒星会继续收缩,使内部的物质密度、压力和温度继续上升,当温度达到1亿度时,引发氦核聚变为碳核的反应,即三个氦核同时或几乎同时发生碰撞,组成一个碳核。碳形成后,也会向恒星的中心部位沉降,在由氦组成的恒星核中再形成一个碳恒星核。在小质量恒星中,核聚变反应至此就终止了,因为受到质量限制,引力不足以使恒星继续收缩到引发其他聚变反应。当外层的轻元素消失后,这颗恒星会以碳恒星核的形式存在,就是白矮星。

但是,如果这一系列反应发生在大质量恒星中,情况就不一样了。

恒星的质量大,引力必然强,要维持恒星的稳定,需要的向外的辐射压也要更强才行。大质量恒星中,中心温度更高。一旦有碳存在,就可以引发另一类的氢聚变为氦的核反应,叫碳氮氧循环(CNO循环)。其反应过程如下:

在这个过程中,会用到碳、氮、氧三种元素。但只要存在其中的一种,另外两种元素都可以在反应进行中合成出来。

在这个过程中,同样是四个氢核形成一个氦核,中子和中微子也一样,但会形成三个光子而不是两个。所以CNO循环比质子-质子链式反应产能效率更高

到了第二代恒星形成时,就已经有了碳元素(来源于第一代恒星)。因而,从第二代恒星开始,大质量恒星可以直接用CNO循环方式合成氦元素。

当氢用得差不多了,氦也用得差不多了后,恒星还会继续收缩,使碳恒星核继续升温,从而引发一系列的核聚变反应。

在比1亿度稍高时,碳再加入一个氦核,能组成一个氧核。氧原子核还可吸收一个氦原子核,生成氖原子核。如果温度继续升高,核聚变反应还会一步一步地进行下去。

恒星内部的元素形成基本过程是将氦核(又叫做α粒子)加进已经存在的核,所以元素是按每步4个原子质量单位一步一步加工出来的。同时,恒星中游离的质子(氢核)和中子也会在高温下加入已形成的各种元素的原子核,形成比4个质量单位多一个、两个或三个单位的元素以及它们的同位素。

元素越来越重,原子核中质子数量越来越多,电斥力也越来越强。要使它们相互碰撞,所需要的能量(温度)也越来越高。所以,要使它们发生聚变反应,就越来越难,发生的几率就越来越小。这也是宇宙中较轻的元素较多,越重的元素就越少的原因。每一种元素合成时的反应几率都是可以计算出来的,这个反应几率叫反应截面

各种重元素就是这样一个挨着一个地合成出来了。只是碳元素以后的元素合成,只能在大质量恒星中进行。

恒星中元素的合成不是没有止境的,元素的合成有一个终点。核聚变反应有一个要求,就是发生核聚变反应后,要有能量释放出来,以维持恒星向外的辐射压,保证恒星的稳定。随着元素质量越来越大,继续聚变下去,释放的能量会越来越少,这个能量叫原子核内能。核合成到铁元素时,就终止了。因为铁元素原子核的内能是零。如下图。

这个图是我自己画的,不是太准确,表达个意思。

不管要使铁再增加质量形成更重的元素,还是要让铁原子核裂开形成更轻的元素,都要给铁原子核增加能量,而不是放出能量。

一旦恒星内部形成了铁,因为铁是最重的(比铁更重的元素还没有出现),铁都沉降在恒星中心,形成铁心。同时,各种元素按照原子量,分层排列在铁心的外围,形成“洋葱头结构”。

各层的界面上都发生着上层元素合成下层元素的核聚变反应。随着内层元素越来越多、外层元素越来越少,核聚变反应终会停止于铁核。当所有反应都停止时,向外的辐射压消失,引力会使各个外层元素向内坍缩,这个过程叫“铁心灾变”。当这些物质撞击到铁核时,撞击的能量使内部温度和压力急剧升高,并把能量加入铁原子核,合成出了比铁更重的元素,直到92号元素铀。同时,多余的撞击能量形成的反作用力会把外层物质反推出去,连同一部分内部物质,一起抛向宇宙空间,形成超新星爆发。

超新星爆发时,一颗平时暗淡的恒星会在几个小时内,亮度增加数千万倍,比一个星系发出的光还要亮。但这个亮度维持不了多长时间。在几天、几个月内,随着抛出的物质向宇宙空间急速扩散,温度和物质密度急剧下降,亮度也随之下降,这颗超新星会很快就重新暗淡下去。

抛出的物质散布在宇宙空间,与其他的星际气体云混合起来,成为形成下一代恒星的原料。当下一代恒星形成时,有可能形成围绕它们运行的行星,我们的太阳系和地球就是这样来的。我们地球上所有的物质,包括我们自己,都是数十亿年前某颗超新星爆发的产物。

我们地球和我们自己,都是超新星爆发的残骸。

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