心我在人就在
我们的太阳是整个太阳系中最大的热和光的来源,在其核心的核连锁反应中将氢熔化成氦。因为氦原子核比它所产生的四个氢原子核轻0.7%,核聚变释放出非常有效的能量。在45亿年的生命周期中(到目前为止),太阳已经失去了土星的质量,这是由于大量的氢通过爱因斯坦的E=mc^2熔合成氦,这是我们在地球上接收到的所有太阳光的根本来源。
- 图注:通过可见光吸收特性显示太阳中元素的高分辨率光谱。
不过,太阳内部的活动远不止把氢(最轻的元素)熔化成氦(第二轻的元素),而且能够制造出比这更多的元素。但是元素周期表有很多太阳永远无法制造的元素。
我们很幸运,我们的太阳不是宇宙中最早的恒星之一。大爆炸后不久,宇宙完全由氢和氦组成:99.999999%的宇宙是由这两种元素单独组成的。然而,第一批大质量恒星不仅把氢熔化成氦,而且最终把氦熔化成碳,把碳熔化成氧,把氧熔化成硅和硫,然后把硅和硫熔化成铁、镍和钴。
- 图注:元素周期表
当内核达到足够大的重元素浓度时,发生了一次灾难性的超新星,产生了迅速的中子爆发,并散落到其他核中。很快,宇宙中存在的元素种类就在周期表上不断攀升,创造出我们在自然界中所发现的一切,许多元素甚至比这个还要重。即使是最早的核崩塌超新星也产生了超出我们在地球上发现的极限的元素:甚至比铀和钚还重的元素。
- 图注:在超新星发生的过程中,许多超铀元素是通过快速中子俘获产生。
但我们的太阳不会变成超新星,也不会形成这些元素。在超新星中发生的中子快速爆发允许元素通过R-过程(快中子捕获过程)产生,元素在R-过程中迅速吸收中子,并以巨大的跳跃爬上周期表。取而代之的是,我们的太阳将燃烧其核心的氢,然后收缩并加热,直到它能够开始熔化其核心的氦。在生命的这个阶段——我们的太阳将成为一颗红巨星——是所有恒星都会发生的事情,这些恒星的质量至少相当于我们太阳的40%。
- 图注:该图是大犬座 VY(VY Canis Majoris),是一颗位于大犬座的红特超巨星。我们太阳也会演化成一颗红巨星。
达到合适的温度和密度,同时进行氦聚变,是区分红矮星(无法到达那里)和所有其他恒星(能够)的原因。三个氦原子融合成碳,然后通过另一个氢融合途径——CNO循环——我们可以制造氮和氧,同时我们可以继续向不同的原子核中添加氦,以爬上周期表。碳和氦制造氧;碳和氧制造氖;碳和氖制造镁。但有两种非常特殊的反应会产生我们所知道的绝大多数元素:
碳-13将与氦-4融合,产生氧-16和自由中子,
并且 氖-22将与氦-4熔合,生成镁-25和自由中子。
- 图注:中子β衰变的两种类型(辐射和非辐射)。
幸运的是,太阳内部的密度足够大,15分钟足够让这个自由中子进入另一个原子核,当它进入时,它被吸收,形成一个新的原子核,该原子核比之前重一个原子质量单位。这几个原子核是行不通的:不能创造质量为5的原子核(比如氦-4)或质量为8的原子核(比如锂-7),因为它们天生就太不稳定了。但其他的一切要么在至少数万年的时间尺度上是稳定的,要么通过发射一个电子(通过β衰变)而衰变,从而使一个元素在周期表上移动。
- 图注:在S-过程的末端的连锁反应
这导致了一个循环:铅捕获3个中子,变成铋,再捕获一个,变成钋,然后衰变回铅。在我们的太阳和所有不会发生超新星的恒星中,这就是终点。再加上在氦和碳之间没有好的途径获得元素(锂、铍和硼是宇宙射线产生的,而不是在恒星内部),你会发现太阳总共可以制造80种不同的元素:氦,然后是从碳到钋的所有元素,但没有什么更重的元素。想获得更重的元素,需要超新星或中子星碰撞。
- 图注:两颗中子星相撞,这是宇宙中许多最重的周期表元素的主要来源。
但想想看:在地球上所有自然存在的元素中,有90%是太阳产生的,这些元素都来自于一颗没有特殊宇宙意义的微小恒星。