地球元素从哪来?你的金饰来自星星

来源:科普中国发布时间:2019-03-13

这么浪漫?

  46亿年前,地球诞生于我们所置身的浩瀚宇宙。构成目前地球上种种物质的元素,自那时起就已经存在于地球上了。在此之后,虽然也有小行星或者陨石、陨铁等带来大气层外的物质,但构成山川海洋和生灵万物的元素们基本保持着当初的含量。正因为有接近一百种天然元素的存在,地球才能具有如此多样的地形地貌和生态系统,形成能量和物质循环,并最终在此基础上孕育人类文明。 

    那么,地球上种类繁多的元素是何时形成的?这些元素是同时形成还是存在先后次序?他们的生成机理是类似的吗?为什么金、铂一类贵金属在地壳中的含量如此稀少?这篇文章将为读者呈现自宇宙大爆炸以来,不同元素渐次诞生的历史,直达人类对于宇宙和自身的认知边界。 

    

  三生万物——宇宙大爆炸的最初三分钟奠定元素形成基础 

  大爆炸理论认为,我们身处的宇宙是在距今138亿年前的一次“大爆炸”后形成的,在那之前我们认为宇宙处于一种密度极大,温度极高的太初状态。虽然听起来有些匪夷所思,但这一模型得到了无数观测结果的佐证,也因而成为了目前描述宇宙起源和演化的主流学说。     

大爆炸示意图,来源:NASA/WMAP Science Team 

    

  根据大爆炸理论,宇宙形成之初,宇宙中存有的元素种类极为有限。构成地球上岩石、水、空气以及人类自身乃至其它天体的种种元素,并非是在138亿年前与宇宙一起诞生,而是经由了上亿年的演化才开始由轻到重(原子序数从小到大)渐次生成。这一元素的生成(创造)过程堪称精妙绝伦,充满偶然性和故事性。 

    

  在大爆炸发生后的约万分之一秒,宇宙的温度高达一亿摄氏度,此时质子(氢原子核1H)和中子开始生成,宇宙从此开始了它制造各种元素的创世之旅。之后,质子和中子相互撞击,形成重氢(D)。重氢再继续捕获中子形成超重氢(3H),超重氢又可经由β衰变生成氦-33He),而氦-3吸收中子后又可以转化为氦-44He)。     

大爆炸早期,氦-4的生成过程示意图,来源:作者自制 

    

  在以上各种原子核中,氢原子核和氦原子核最稳定,因此会在反应过程中得以集聚。接下来,由于质量数(质子数+中子数)为5的稳定原子核不存在,宇宙早期的元素合成过程到此趋于停滞。虽然也有极少数的锂-77Li)和铍-77Be)得以生成,但上述二者皆不稳定,最终未能在宇宙中大量留存。 

    

  启动恒星大熔炉——重元素诞生 

   上一节中提到的略显单调乏味的氢元素合成过程持续了约一亿年之久,在此期间,氢元素团块们在引力作用下相互集聚,并形成了早期恒星的雏形。当集聚而来的氢元素们数量累积到足够程度,恒星核心就将在重力作用下发生氢核聚变反应,由氢生成氦,并在此过程中产生巨大的能量,向星际空间释放灼热的光芒。 

    

分子云——大部分恒星诞生的场所,来源:ESA/Hubble     

  从这个时候开始,一度停滞的元素创世过程又有了重启的转机。随着氢核聚变的进行,大量氦-44He)随之生成。在恒星内部这样的高温高压高密度环境下,原本发生几率非常低的两个氦-44He)聚变为铍-88Be)的过程,几率也得以大大提高。虽然铍-88Be)并不稳定,但在其衰变之前,若能与周遭大量存在的氦-44He)再发生一次聚变,就能形成可以稳定存在的碳-1212C)。 

    

  -1212C)的生成堪称元素创世史中的里程碑事件,其与氦-44He)反应生成的氧-1616O)同样是稳定核。而两个氧-1616O)结合后又可以生成一个硅-2828Si)和一个氦-44He),前者仍然是稳定核。 

    

  各种稳定核的不断生成令元素合成冲破了氢核聚变的桎梏,各种较重的元素在恒星这个大熔炉中被不断地合成。然而,这一元素合成过程在进行到铁-5656Fe)后出现了一些小插曲——在恒星中心的大多数质量都变成铁后,中心部分所产生的压力将非常巨大,这将导致电子被压入原子核,与原子核中的质子转变为中子,最后整个恒星核心都将变成中子。     

中子星强大的引力可以弯曲光线(示意图),来源:CC4.0 

    

  由于该中子核心极端致密,事实上形成了一个铁元素无法继续进入的壁垒,因此进一步的聚变反应也将被迫中止。此时,恒星的寿命也就即将走向尽头了。简言之,恒星内部的聚变反应无法形成大量比铁更重的元素,元素的创世过程又遇到了暂时的困难。     

中子星结构示意图,作者:Robert Schulze 

    

  我们都是星星的孩子——太阳系的诞生 

    

  在上一节的讨论中,我们隐去了一个铁元素在恒星内部通过聚变产生的前提——事实上,具有较大质量的恒星才可能完成这一反应。我们的太阳由于不够重,不能向中心提供足够的压力而只能完成氧元素的合成。然而,通过对太阳光谱的研究,我们发现太阳上存在一定含量的重元素,有些甚至比铁还要重。 

    

不同类型恒星的结构示意图及最终演化方向,来源:作者自制 

    

  对这一事实最可能的解释是,这些元素在太阳诞生之初就已经存在了,他们并非由太阳自身的聚变反应所合成。那么问题来了,太阳是如何诞生的?它所集聚的大量轻元素最初从何而来?它包含的较重元素又是如何产生的? 

    

  想要回答这些问题,我们需要接着讨论恒星通过聚变反应形成铁元素内核的后续情形。如上所述,大质量恒星在生成铁元素核心后,该核心将进一步形成密度极大的中子内核。伴随这一过程的,往往是温度、密度的剧烈升高,核心很可能遭受突然的引力坍缩,引发所谓的超新星爆发。     

超新星爆发,来源:NASA 

    

  在此类超新星爆发过程中,原有大质量恒星将抛出几乎全部的外层物质,只留下一颗体积极小的中子星核心。同时,爆发过程还将伴随少量重元素的生成,从28号元素铁到94号元素钚(甚至更重的元素)都可能在此过程中生成。我们的太阳所处的空间附近,可能就发生过类似的天文事件——大质量恒星在生涯末期产生超新星爆发,抛出大量以轻元素为主的物质并同时产生多种元素。 

    

  太阳通过集聚这些散落于空间中的大量物质,在开启自身轻核聚变反应的同时,也继承了少量的较重元素。与太阳同时期诞生的地球,也因此而拥有了直到94号元素钚的各种天然元素。从下方的太阳系元素丰度示意图中可以看出,太阳系内元素含量从轻到重逐渐减少,其中较为稳定的核种,如铁(Fe)和铅(Pb)会形成相对的峰,而锂(Li)、铍(Be)和硼(B)的含量相对较低。     

太阳系元素丰度示意图,作者:MHz`as 

    

  贵金属宝藏——数十亿年前中子星撞击合并的馈赠 

    

  上一节中提到的超新星爆发,曾经一度被认为是宇宙中铁之后重元素产生的主要途径。一般来说,铁之后的重元素主要通过原子核吸收中子并发生β衰变来产生更重的元素。超新星爆发的确可以在较短时期内制造出大量重元素,但超新星爆发过程中缺乏足量的中子供给,很可能并非是重元素生成的主要途径。 

    

  于是,科学家们将目光转向了可以大规模释放中子的天文事件,这就是中子星的撞击和合并。当质量大约为太阳820倍的两颗相近恒星相继发生超新星爆发并遗留下中子星核心后,这两颗中子星将以两者的重心为回转轴进行公转。然而,由于两者相互作用过程中引力波的释放,公转周期将会逐渐变短,二者间距离逐渐接近。  


双中子星合并假想图,来源:CC4.0 

    

  上述的中子星双星系统将不可避免的走向撞击或者合并,这一过程将释放出巨大的能量和大量的中子,有潜力在极短时间内制造大量包括金、铂等贵金属元素在内的重元素。2017817日观测到的一次重力波事件及随后到来的伽马射线暴,让人类第一次获得了中子星合并是制造重元素主要途径的决定性观测证据。这一足以载入历史的成就,帮助人类揭开了一百多年以来的谜团。     



中子星合并过程中释放重元素的假想图,来源:CC4.0 

    

  宇宙制造碳基生命诞生所依赖的碳元素居然耗费了一亿年之久,跨越这道难关后的恒星熔炉本来已经在持续合成元素的路途上大步向前,然而通过聚变制造出的铁元素核心却可能是恒星爆发乃至死亡的导火索。死去恒星的灰烬中,又会有新的年轻恒星浴火重生。埋藏在矿山中的黄金甚至可能来自于数十亿年前的一场“天地大冲撞”…… 

    

  宇宙万物不停发展,人类的认识不断向前,每一个当世的普通人都是宇宙演化的见证者。在下一篇文章中,我们将会为大家介绍人类合成超重元素的历史和进行这项研究的重大意义。 

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