《Wonders of the Universe - Stardust》- 20180105

第二篇：星辰疑云 - Stardust

这一篇着重探讨组成恒星、行星、其它天体和人体的物质是哪些，以及它们从何而来。

1. 元素的种类和数量

例子：

帕斯帕提那神庙（尼泊尔 - 加德满都），是印度教最神圣的神殿之一，供奉着湿婆（印度教中的毁灭之神）。印度教相信灵魂转世，生死循环，直到灵魂解脱。但他们相信会转世的不只是灵魂，还有组成身体的物质：地、火、水、气和以太。所以他们认为，人死时，这五种元素也会回归宇宙，所以人不应该过于害怕死亡，担心死亡。

这种古老的信仰触及了宇宙的真谛：人类体内的原子是宇宙循环的结果，它们的起点不在地球上，而在宇宙深处，贯穿恒星的生命周期。

证据：

1.1 喜马拉雅山的石灰岩，是由海洋生物的尸体沉积而成。这说明了资源是循环利用的，并没有新的物质产生，从开始到现在都是，并且未曾停歇；也说明了万物的成分都相同，只是92种原子的不同组合。

1.2 地球上的这些元素在其它星球也广泛存在。比如月球是氦、银和水；火星是丰富的铁（由于铁与氧结合，看起来是锈红色，这也是火星看起来呈锈红色的原因）；金星的大气里充满了硫；海王星则富含甲烷一类的有机分子。

而离我们很遥远的其它恒星，通过分析它们的光线也能知道它们的构成。方法就是用衍射膜处理恒星的光线，原理是由于元素在燃烧时会发光，且光的颜色各不相同。比如锶燃烧时是鲜红色，钡是绿色，铜则是蓝绿色。

分析的结果便是：太阳70%是氢，28%是氧，剩下的2%则是其它元素；北极星的重金属与太阳大致相同，C很少，H则高很多；织女星（北部天空第二亮的恒星）元素分布奇特，金属元素只有太阳的1/3；天狼星的含铁量比太阳高3倍；比邻星相比而言则镁含量很高。

虽然元素的含量不尽相同，但整个太空也只找到92种元素，这跟地球是一致的。

2. 元素从哪里来？

137亿年前，时间初始时，构筑宇宙的基础材料就产生了。原始的宇宙只有一堆基本粒子：质子。以质子为原料，生成了所有的元素 —— 所以元素的不同在于质子数的不同。

3. 元素如何产生？

两个质子一起，其中一个会变成中子。质子+中子便可以产生核聚变，太阳的光和热便是核聚变产生。（地球上自然环境中基本不可能产生核聚变，因为需要满足一定的条件，比如温度至少要达到400万摄氏度。所以地球上发生的核聚变都是人类的成就。）

3.1 基本元素的产生

下面以银河系中的红巨星参宿四（距地球600光年，质量为太阳的20倍，体积巨大，可放下太阳系中从太阳到木星的大小）为例，说明各种元素如何产生。

首先需要知道，恒星整个生命周期都在与自身重力对抗，各种元素便是在对抗过程中产生，这个过程又分为几个阶段：

阶段一：氢变为氦，之后不再有聚变和压力，恒星内部很快开始坍缩，留下一个氢和氦构成的空壳。同时，坍缩之后，温度会再次升高，上升到1亿度时，将进入第二阶段。

阶段二：氦核开始聚合，释放更多的能量，坍缩暂时停止，同时产生C和O元素。大约100万年以后，内核中的氦就用尽了，对太阳质量大小的恒星，聚变就会停止 —— 因为没有足够的重力继续挤压内核，促使聚变重新开始。但对于参宿四那样大的恒星，聚变会继续，当氦耗尽时，重力再次占据主导，坍缩继续，留下碳氧层，温度继续升高。

这里需要指出的是，和恒星的寿命相比，C和O的产生只是一眨眼的时间而已。

阶段三：C聚变成镁、氖、钠和铝。

接下来的阶段：整个过程不断延续下去，内核坍缩，下一阶段的聚变开始，产生更多的元素，每一阶段都比上一个阶段温度更高，时间更短。

最后一个阶段：只会持续几天，内核几乎全部转化为铁，聚变也到此结束，内核现在变成了一个实心球，由各种元素一层层叠加而成。到这时，恒星再也无法通过聚变释放能量，结局便是：因自身重力坍缩而爆炸。但爆炸仅产生了最初的26种元素。

3.2 金等重金属元素的产生

地球上的金蕴藏量极少，不只是金，其它重于铁的元素不只在地球上，即使在宇宙中的含量也微乎其微。这是因为，制造这些极重元素所需要的条件在整个宇宙中都很罕见 —— 它们出现在最大的恒星奄奄一息的最后时刻，大概每一百年一分钟。这便是超新星爆发。

超新星爆发原理：内核向重力屈服，以极快速度坍缩，再回弹。冲击波与最外层相撞，产生宇宙最高温度1千亿度，只持续15秒左右，黄金等重金属元素便是在这短短的15秒内形成。

各个星系平均100年会有一次大规模的超新星爆发。蜘蛛星系，银河系的一个卫星星系，曾经在1987年的一个夜晚出现超新星爆发；银河系最近的一次超新星爆发则是在1604年，现代科学诞生后还没出现过。

现在，科学家们在寻找可能会爆发的超新星，有个候选：前面用来举例的、猎户座的参宿四。如果爆发，那一刻产生的能量将多于太阳一生产生的全部能量，并释放出自己全部的元素，元素散开，形成星云，富含化学物质在宇宙中飘荡。星云中的一点微弱亮光便是恒星的残留物。

4. 元素如何演变成我们？

对陨石的研究发现，一些陨石有450亿年，比地球更古老，而且富含物质，比如碳化合物、有机分子（氨基酸、糖类、脂肪酸等）。所以一种推测是：生命最初需要的一些有机分子，可能形成于宇宙深处，再由流星送到地球（或其他行星）上来。

小知识：

1. 钙：光亮的银色金属，独立存在很少见，通常都是与其它元素组合，比如粉笔、骨头和牙齿。