03.07 恆星核聚變產生鐵,超新星爆發產生更重的元素,佔太陽系質量絕大部分的氫從哪裡來?

165996028



黃金、鈾以及太陽系中所有其他重元素都曾經是由我們太陽系的前身超新星爆發的“母星創造”出來的——超新星的消亡是由於缺乏燃料(氫、氦....鐵)燃燒,所以它爆炸了,所有合成的局部物質都稀疏地散佈在星雲中。所以現在,幾十億年後,我們新點燃的太陽和太陽系來了,富含氫和氦!那麼這種“新”氫是從哪裡來的呢?超新星摧毀了剩餘氫的任何希望。由此產生的星雲引力會從我們系統周圍幾光年的地方吸入更多的氫嗎?或者什麼?還是上帝只是為我們創造了“新氫”,只是為了向我們展示他是我們的萌芽?



恆星在死亡前不會燃燒所有可用的氫。它們只是燃燒得足夠快,以至於不能以足夠快的速度燃燒剩餘的東西來阻止恆星坍塌,因為恆星可能會與膨脹的碎片融合在一起。還會有其他沒有坍塌的氣體雲。

超新星的特徵取決於超新星中是否有氫元素。氫的另一個來源是恆星超新星爆發前經歷的太陽風形式的質量損失。即使我們的太陽太小而不能形成超新星,也會因太陽風而失去部分質量。大質量恆星經歷更極端的質量損失。最大質量的恆星在其原始形成和超新星死亡之間噴射出很大一部分原始質量。



然而,太陽的大部分氫可能從一開始就沒有形成恆星。恆星形成是一個相當低效的過程。恆星形成的絕大多數氣體雲不會被吸入恆星。有些氣體確實會坍塌,但只是在原行星盤中。就吞噬質量而言,這些氣態巨行星和恆星一樣低效。當恆星(太陽)點燃時,太陽系沒有形成行星的物質被吹走。原始氣體雲只有10 %左右形成恆星。剩下的90 %被吹走,分散開來。


軍機處留級大學士


氫元素是宇宙中含量最多的元素,以氫氣(H2)含量為主的星球約佔75%,太陽系也是如此。

太陽的氫氣含量佔比是73%,木星的氫氣含量佔比是75%,土星的氫含量和木星差不多,天王星的氫佔了83%…

根據最近美國“新視野”號探測器的數據,太陽系的外層可能有一層氫元素的“牆壁”。

宇宙和太陽系中這麼多的氫氣是怎麼來的呢?

宇宙誕生於138億年前的大爆炸,大爆炸後一段時間是沒有氫氣的,很長一段時間後的原始粒子才形成氫氣H2和氦氣(He),大量分佈在宇宙空間和星球中。它組成了宇宙最原始的物質和各種元素,也是初始恆星(第一代恆星)的主要燃料。

由於第一代恆星只有氫氣和氦氣,它只能通過p-p鏈的簡單核反應來產生低能量,因此它中心溫度會更高。通常質量是太陽140~260倍的第一代恆星在生命末期會以超新星爆炸的形式向四處拋出重質量都鐵等金屬元素。如果質量大於260倍太陽的第一代恆星如果沒有坍縮成黑洞,最終的超新星爆炸會拋出大量金屬,使附近的金屬豐富達到臨界以上。

因此宇宙中金屬大幅增長可能是從第一代恆星的超新星爆炸而來的。


弄潮科學


這問題其實問的是宇宙中元素的丰度問題。

目前主流的學術觀點認為,宇宙起源於一次大爆炸。原初階段,在高溫高壓的環境中逐漸形成了輕子和重子,隨後逐漸形成原子核,原子。所以,宇宙起初的元素丰度情況是氫和氦佔主導,畢竟它們的核內質子數少呀,它們的丰度佔到了99以上。所以一度有很多物理學大咖,比如:伽莫夫。他們就認為元素的丰度是固定不變的,來自於宇宙大爆炸。

不過後來科學家陸續發現了太陽內部核聚變的極致,以及超新星產生更重元素的理論,伽莫夫才被啪啪啪打臉。但即使是到現在,氫元素和氦元素的丰度依然高達99%以上。重元素還是很少很少的。因為宇宙的年輕還輕,才經歷了兩到三代的恆星週期。如果宇宙的年紀到達了1萬億年,可能丰度就和現在完全不一樣了。而且並不是隨便一顆恆星都可以實現超新星爆炸的,相反的,其實很少有恆星可以,因為這裡有個臨界值的要求:錢德拉塞卡極限,至少要1.44倍太陽質量才可以。可宇宙中,大部分的恆星都比太陽小。


總結一下:太陽系中的氫其實是與宇宙大爆炸留下來的,宇宙中99%以上都是氫和氦。


鍾銘聊科學


你這問題實際上涉及到一個最深刻的問題。宇宙存在狀態是什麼?宇宙是有起源的嗎?是從某個“母體”中“發育”而來的嗎?那麼,宇宙的“母體”又是從哪來的呢?…。

宇宙如果不是“炸奇點”而來的,它就是這樣“自在地”、“無限地”、運動、發展、變化的,那它有沒壽命呢?沿著“一個方向”運動、變化、演化到它“壽終正寢”?

如果宇宙是無限的、永存的,則它的存在就是以自洽方式存在;它的運動、發展、變化就是“雙向、自洽”的,正如地球上的水循環、碳循環、氧循環那樣,物質拓撲形態的演化方向是“雙向”的。

目前,人們基本確定宇宙演化的正方向是,宇宙中的物質在引力的作用下,從宇宙時空中極稀薄的真空狀態,逐漸聚集成星雲形態,由最簡單原子---氫原子,組成的星雲;然後,星雲進一步聚集成星球(恆星);氫元素在星球中核聚變反應,形成了一直到鐵元素的各種元素;然後,恆星進一步“燃燒”演化成紅巨星,將星體外殼炸飛,拋射出鐵以下的各種元素物質於太空中;

其內核進一步坍縮成,一個方向是形成白矮星,白矮星目前研究看,由於處於一種“平衡”狀態,其演化“停止”了,成了“宇宙殭屍”,“漂浮"在宇宙中;

另一個方向是形成中子星,中子星還會進一步坍縮緻密成黑洞,黑洞目前的歸宿,科學家也是“雲山霧照”、莫衷一是,流行說法是黑洞蒸發,將物質通過“蒸發”“迴歸”了宇宙,另一個途徑是黑洞爆炸,直接把物質“炸回”到宇宙太空中。

從以上科學家給出的宇宙中物質的一系列演化方向看,物質演化“不完全自洽”,達不到像地球上水循環這樣的“完全平衡”的程度。也就是說,很多物質由氫元素演化到最後,不知怎麼“迴歸”的,“氫元素迴歸”機制沒有給出來,至少不是明確給出來。

太陽系中有地球這樣的,由重元素組成的岩石星球,所以說,形成太陽系的星雲不是原始“純氫氦”星雲,是第n代星雲;這種第n代星雲,據“流行理論”是黑洞爆炸後的,“迴歸星雲”。

總之,人類目前還沒完全找到物質演化的“迴歸”方向。找到了“迴歸”方向,宇宙大爆炸理論就成了“騙子的學說”了。


譚宏21


佔太陽質量絕大部分的氫來源於宇宙誕生時刻的大爆炸。

說明這個問題,暫時需要建立在宇宙大爆炸模型是正確的基礎之上,我們的宇宙從大爆炸中誕生。我們知道,所有元素是由質子、中子和電子構成,而中子和質子又可以看成是由更基本的夸克所構成,可以說,所有的物質都是由電子和夸克這類費米子所組成。

基本粒子如何在宇宙早期純能量中誕生:

在宇宙大爆炸發生最早期的那段時間裡(即最初三分鐘以內),宇宙隨著空間的膨脹,溫度從最高溫開始下降,整個空間被能量輻射所主導,但密度巨大,整個宇宙是不透明的。光子是能量輻射的主要載體,由於光子的波長與溫度成反比,每個光子攜帶的能量也與波長成反比,所以,每個光子的能量與溫度成正比。

愛因斯坦的相對論質能公式E=mc^2告訴我們,即便粒子處於“靜止狀態”也都具有固有能,這個著名公式就給出了這個能量:當作為能量的兩個光子相互碰撞產生兩個m質量的粒子時,那麼,每個光子的至少等於每個粒子的靜止能量mc^2。如果光子能量小於mc^2,那麼,光子碰撞過程無法產生m質量的粒子,因為能量不夠。每個光子的特徵能量的值可以通過輻射溫度乘以統計力學的玻耳茲曼常數獲得,玻耳茲曼常數為0.00008617eV/k,因此,產生一個粒子的輻射溫度至少為mc^2除以玻耳茲曼常數得出的值,這個值被稱為“閥值溫度”。

根據以上公式,我們可以計算出產生一個電子所需要的閥值溫度約60億度左右,而產生一個質子所需要的閥值溫度約10萬億度左右。這個兩個溫度都遠超出恆星熱核反應時的溫度,所以,電子和質子等構成元素基本粒子不可能在恆星內部產生。舉例:當早期宇宙溫度高於電子的“閥值溫度”60億度的時候,光子對碰撞,電子和正電子將被自由產生出來(正電子是電子的反粒子,帶正電荷),可以推斷,那時候,電子存在的數量巨大,電子和正電子相遇湮滅又產生一對光子,宇宙處於這種熱平衡狀態,這個觀點適用於各種粒子的產生,各種粒子都由其對應的反粒子,這個理論由狄拉克預言並在1932年被證實。

基本粒子是如何保留下來的:

隨著宇宙繼續膨脹,溫度下降到低於某一粒子的“閥值溫度”時,該正反粒子對的產生將停止,按理,正反粒子對會相互湮滅,從而回歸輻射。但有充分的觀測事實告訴我們,物理學定律並非完全對稱,1956年發現的微觀粒子宇稱不守恆定律預示了這樣一種可能:在宇宙早期產生的正反粒子對過程中,存在著粒子比反粒子稍稍多一點的情況,殘留下來的粒子最終構成了我們今天看到的物質。

氫元素的產生:

氫原子包括一個質子和一個電子。宇宙中殘留下來的基本粒子和強子等最終成了組成物質的原料。至於電子被質子捕獲形成最原始的氫元素,則發生於宇宙誕生以後38萬年,宇宙溫度下降到3000k左右,足以使中性原子得以形成,宇宙主要以氣態物質形態存在,最終在引力的作用下凝聚形成恆星以及星系。


人擇原理


恆星是宇宙中的“元素製造機”,元素週期表上絕大多數的元素都是由恆星製造的,但是氫元素除外。

恆星在剛形成的時期,絕大部分都是氫元素,通常氫元素要佔到恆星質量的90%左右,氦元素約佔8%,這比例也接近宇宙中氫和氦元素的佔比。但恆星形成之後,就開始通過核聚變製造氫以外的其他元素了,先是將氫元素聚變成氦元素,然後再聚變成鋰、鈹、硼、碳、氮、氧等元素,恆星質量越小,所能聚變達到的元素層數量就少,質量越大所能就變成的元素數量就多。




比如我們的太陽,一般認為它只能聚變到碳和氧的階段,但是相當於太陽質量8倍以上的大質量的恆星卻能聚變到鐵元素的階段。不過當鐵元素在恆星內部聚變產生時,這個恆星的壽命也就走到了盡頭。

這是因為當恆星內部聚變產生鐵元素的時候,恆星的聚變過程就不再釋放能量,而是開始吸收能量,因為鐵元素之前的元素在聚變產生時都可以釋放能量,但是鐵元素的產生過程卻是需要吸收能量的,所以當鐵元素在恆星內部產生的時候,就在那一瞬間,恆星內部不再有能量釋放出來,由於聚變產生的向外輻射壓就消失了,而恆星又都是質量巨大的天體,他們本身的引力勢能也非常巨大,因此在向外的輻射壓消失的時候,其外部巨大的物質質量會在引力之下迅速的擠壓向核心,將中心物質撞擊成一顆中子星。這就是恆星的超新星爆發現象了。




超新星爆發的時間非常短,但是就在這一瞬間,恆星劇烈的星體活動卻能釋放出相當於其一生核聚變數十倍的能量,這樣巨大的能量又可以將鐵元素進一步聚變,然後再將鐵元素形成的元素進一步聚變,如此類推,所以可以有幾十種元素在超新星爆發的一瞬間形成,比如黃金等貴重金屬也可以在這一瞬間形成。

另外,中子星碰撞也可以產生大量的重金屬元素,超新星爆發的時候身體內部可產生1500億k的高溫,中子星碰撞大約可以產生3000億k的高溫,因此中子星碰撞可以更多的創造重元素。



宇宙間的絕大多數元素的誕生,基本上都是基於以上的恆星的演變過程。但是氫元素卻不是這樣,它是在宇宙大爆炸發生之後不久形成的。

我們知道原子都是由電子、質子和中子組成的,而質子和中子就是由夸克組成的,這些基本粒子的產生需要極高的溫度,比如產生一個電子所需要的閥值溫度約60億度左右,但產生一個質子所需要的閥值溫度約10萬億度左右。所以恆星內部核聚變時不可能產生這些基本粒子,就是超新星爆發和中子星碰撞的溫度也不足以產生質子,而氫元素既離不開質子也離不開電子,很顯然,恆星的演變過程以及超新星爆發和中子星碰撞都不足以產生質子等基本粒子,這些元素材料都太難造了,需要的溫度太高,因此恆星也就無法造就最簡單的氫元素了(中子星碰撞,可以通過中子的衰變製造少量氫元素)。



那麼宇宙中能形成基本粒子並造就氫元素的事物也就只有宇宙大爆炸了,宇宙大爆炸開始時的溫度最高可達1.4億億億億K,遠高於基本粒子產生的溫度,在宇宙降溫的過程,基本粒子產生了,隨後也就產生了氫元素,同時也產生了部分的氦元素,兩者在宇宙中的佔比大概在99%左右,其他可能還有鋰、鈹等元素,但是含量就比較少了。


縱觀宇宙誕生以及產生氫元素,氫元素形成恆星,再由恆星製造各種元素,各種元素通過物理和化學作用形成世間萬物,這一過程用老子的“道生一,一生二,二生三,三生萬物”來概括,還真是挺符合的。


人類的方向


宇宙中丰度最高的元素就是氫元素,排在氫元素之後的就是氦元素。在太陽系也是如此,如果按照質量計算太陽系的氫含量大約佔了百分之70%,當然了太陽的質量是太陽系質量的99.8%,其他八大行星加上小行星、長週期彗星、柯伊伯帶內的天體、一些天體碎片等只佔了很小的一部分。

圖:太陽系元素含量

按照現在的主流觀點,宇宙起源於138.2億年前的奇點大爆炸,最開始形成的就是氫元素,這意味著宇宙中的常規物質最開始就是氫元素。

而隨著時間的流逝在宇宙空間中瀰漫的氫和氦,由於密度不均在密度較大的地方開始聚集形成原始星雲,最終形成第一代恆星。一般質量的恆星內核處發生核聚變生成氦,隨著氦在內核處的積累逐漸增多,待恆星進入紅巨星之前內核處會發生劇烈的“爆炸”,這就是氦閃。這種氦閃會在短時間內發生多次,直到氦的含量降下來,最後生成碳氧等元素。我們的太陽最終就是走這樣的道路,核聚變只能聚變到碳氧等元素。

但是大質量、超大質量恆星內部高溫、高壓的環境,就可能會讓元素聚變到更重,但是一般也都會聚變到鐵元素未知。因為鐵56是最穩定的,比鐵重的元素更容易發生核裂變生成鐵,比鐵輕的元素更容易核聚變生成鐵,所有有一種觀點認為宇宙最終的結局很可能是鐵56的世界,不存在其它元素,更深一步發生核子衰變全部都變成輕子。

那麼宇宙中的重元素是從哪裡來的哪?

其實主要還是大質量恆星演化到生命後期,雖然常規的溫度和壓力難以讓鐵發生聚變生成更重的元素,但是發生超新星爆炸的瞬間會產生極高的溫度,這個溫度足以讓鐵發生核聚變生成更重的元素。

所以宇宙中的氫元素理論上只會越來越少,因為不斷地有恆星在形成,恆星都是在不斷地發生核聚變生成更重的元素。



科學黑洞


氫元素絕大部分都是宇宙大爆炸初期產生的,在宇宙大爆炸初期,產生的絕大部分是氫元素,大概佔到元素總數的差不多80%,還有20%多的氦元素和其它幾種輕元素。一般認為現在宇宙中的絕大多數氫元素都是大爆炸初期產生的。

當然並不是所有,後期還是可以少量產生氫元素的。

這是恆星內部氫元素核聚變成氦元素的全過程,可以發現,六個氫原子核先是聚變成兩個氦3原子核,然後兩個氦3聚變成一個氦4過程中又重新產生兩個氫原子核。

如果你認為這只是掩眼法,不算新產生的氫的話,那麼還有別的過程,比如核反應過程中產生的自由中子會衰變成一個質子,單個質子就是氫原子核了,只要俘獲一個自由電子成為核外電子就可以變成一個名副其實的氫原子了。不過這樣產生的氫原子數量與大爆炸產生的氫原子數量畢竟是沒法相比的,因此,你的問題答案主要就是大爆炸初期產生了。


星宇飄零2099


這個問題問得很好,宇宙大爆炸源自140億年前,而太陽則誕生於50億年前。一般推論,太陽屬於第三代恆星,正如題主所描述,鐵元素之前的由恆星聚變產生,鐵之後的元素由前面幾代恆星衰亡產生,因而,太陽系中有從氫元素到鈾元素的各類元素。

但是太陽系中佔絕大多數的氫元素則是自宇宙大爆炸之初的原始星雲。

宇宙大爆炸之初,一開始還只是個炙熱的能量團,極高的溫度使的組成物質元素的電子質子無法穩定結合,因而沒有任何元素,是一鍋沸騰的能量湯。隨著宇宙的膨脹冷卻,充斥在宇宙中的能量湯生成了基本粒子,其中電荷相互吸引的電子和質子結合生成氫元素,還有極少的氦元素,這就構成了宇宙的原始星雲。

原始太陽系所處的位置是前面幾代恆星沒有涉足的荒涼地帶,又因超新星爆發的擾動逐漸凝聚形成了太陽系的雛形。


沒有詩也可以有遠方


氫元素是構成宇宙物質的基本元素,也可以認為是世界上所有元素的母元素。氫由一個質子和一個帶負電荷的電子組成(另外氫還有兩種同位素氘和氚,各含一至兩個中子,也叫重氫,是產生核聚變的重要元素,但含量在氫元素中只佔約0.02%)。引力場的極限是奇點,也是起點。物質粒子在那一剎那被釋放出來,並組成了最簡單的元素:氫



分享到:


相關文章: