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。