地球上比铁元素大的元素是哪里来的?

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宇宙中最初的元素,那就是1号元素氢与2号元素氦,其中,氢在宇宙中的丰度占据了起初物质的75%,剩下25%的就是氦,没有其他元素,至少是在当前的理论中是没有其他元素的,因为氢氦以上的元素都是在恒星形成之后才得以聚合诞生的。

恒星是宇宙中的氢氦气体堆积聚合,然后再通过引力的作用将它们周边更多的氢氦气体吸纳过来而成的一种巨大的气体团,当气体团的质量大到一定程度,引力收缩致使其内部高达可启动核反应的温度条件时,气体团也就燃烧起来了,这时它也就形成了恒星了。恒星的燃烧本身是一种核聚变的反应,起初的聚变方式是氢(H)聚合成氦(He),然后再进一步聚合成碳(C)→氧(O)→氖(Ne)→镁(Me)→硅(Si)→硫(S)→钙(Ca)→铁(Fe)。对这一点,我们需要清楚的是,我们的太阳虽然也是恒星,但是它没办法拥有这样的能力,它本身所具有的质量最终只能聚合到碳氧白矮星这一步,即它最终所能达到的核聚变温度只能是完成聚变到碳跟氧元素而已,只有8倍太阳质量以上的恒星才能完成以上这一条最终生成铁(Fe)的链。

因此从恒星本身的聚变中诞生出铁以上的元素,那几乎是不可能的(不过有理论说,一些超大质量的恒星,在末期有可能会生成这种恒星聚变后期可能质量更大的钴(Co)和镍(Ni))。那么,一个很多人都想知道的问题,我们地球上比铁元素大的元素是从哪里来的?

要说这个问题,我们先要明确一点的就是,实际上我们的太阳至少是属于二代恒星了,二代恒星的意思就是,它的诞生是建立在初代恒星死亡后的物质基础上形成的。正因为太阳是二代恒星,所以这才会有像了我们地球,火星,金星,水星,月球以及其他的岩类行星的存在,假如太阳是初代恒星,那在太阳的形成之处周边广阔的宇宙空间将全部都是由氢和氦组成的星云,在太阳还没形成红巨星将其外壳抛出来之前,太阳系之内几乎是不可能会出现氦(He)以上的元素的。因此,我们太阳系的物质基础必然就是其他恒星死亡后所留下的残骸,可是前面说过了,恒星的演变最终也只能到铁(Fe)为止,铁以上的元素到底是从哪里来的?

宇宙中铁以上的元素是由超新星爆发而产生的,因为只有超新星爆发时所具有的温度才能再将气体的元素进一步的聚变铁以上的重元素,因此,无论是我们地球还是什么其他的宇宙空间中,比铁重的元素均来自于超新星的爆发。

超新星爆发是一些大质量恒星演化至末期时所发生的一种剧烈大爆炸。当大质量恒星末期内部的核聚变停止了,它失去了可抗衡引力收缩的热膨胀力,这时的力失去了平衡而致使星体全部的物质往中心坍缩,大量的引力势能得以在短时间内突然且大量的释放,最终导致整个恒星失控而产生爆炸。在超新星爆炸的过程中,其所产生的温度是其一生前所未有的,也正是这瞬间所产生的前所未有的温度才借机合成了大量比铁重的元素。

超新星的爆炸将它爆炸时所产生的大量重元素给抛向了广阔的宇宙空间,其中就有大量的抛到了我们太阳系。据一些研究理论推测,正是因为超新星爆炸时将其大量含重元素的物质给推向我们太阳系形成前的气体尘埃,然后将这些气体尘埃集聚成团,最终才慢慢地演化出了太阳,地球,火星,木星以及其他的系内星球。其实这也就是为什么我们太阳系内的绝大部分星球是在同一时期形成的原因,因为在有超新星爆炸推动干扰太阳系内的气体云的时候,气体云才能更快速地聚合旋转,太阳,以及各大行星才在这个时候因物质的堆积而越变越大,然后都依靠它们集聚起来的引力将它们周边的物质给吸纳了,最终也才形成了今天的这副模样。


小民科


地球

如果仅仅从元素的角度来看,地球在宇宙中绝对是异类。为什么这么说呢?

在宇宙中,99%以上的元素其实都是氢元素和氦元素,它们是元素周期表最靠前的两个元素。而地球上的氢元素都是来自于此。

氦元素绝大部分来自于此,还有少数来自于放射性α衰变的产物。

但我们要知道的是,在地球上氢和氦的占比并不高,地球上还存在大量其他元素,也就是说,构成地球的主要元素都集中在宇宙中那不到1%的占比的元素当中,地球简直就是一个稀缺的存在。这也是为什么地球不是一个气态星球,而是一个岩石星球的主要原因。也就是说,地球自打形成的那一刻起,就战胜了宇宙99%以上的玩家。

不过在太阳系中不仅仅地球是这样,水星,金星,火星也是如此。那这些重元素是从哪里来的呢?实际上主要有三条路径,分别是:

恒星的核聚变超新星爆炸中子星合并

接下来,我们一个个说一下。

恒星核聚变

在宇宙中,铁元素之前,氦元素之后的这些元素的主要来源是恒星的核聚变。一般来说,恒星一开始是氢和氦构成的,并且质量巨大,在引力的作用下,内核温度和压强急剧升高,在隧穿效应的作用下,引发了温和的核聚变反应。这时候的恒星更像是一个元素的炼丹炉,一开始的燃料是氢原子核,炉渣是氦原子核。也就是说,原子序数升了一位。这个过程主要有两个路径,一个叫做碳氮氧循环,一个叫做质子-质子反应链。无论是哪种,本质上都是氢原子核核聚变反应生成氦原子核。

而但恒星内核的氢原子核烧的差不多时,并且恒星的质量足够大时,恒星就会进行换挡,引力进一步压缩内核,使得内核足以引发氦原子核的核聚变反应。因此,此时的燃料是氦原子核,炉渣是碳原子核和氧原子核。

同样的道理,如果氦原子核烧的差不多时,并且恒星的引力也足够大时,就会继续引发碳原子核的核聚变反应。

就这样,只要质量足够大,就可以继续引发核聚变反应,一直达到铁原子核。你可能要问了,为啥会到铁原子核?

超新星爆炸

实际上,如果我们从原子核的角度来看,铁原子核是最稳定的原子核,没有之一。我们也管这个叫做比结合能最大。说白了,就是掰开或者聚合出一个铁原子核的难度是最大的。

这也使得铁原子核的核聚变反应条件特别苛刻。

一些特大质量的恒星,实际上能够达到铁核聚变的反应条件,但与此同时,整个恒星会变得非常臃肿,由于温度实在太高,各层都会相继进行核聚变反应。在此之前,恒星的核聚变可是一直都在内核进行的。

当真的到达了铁原子核核聚变的条件时,光子会击碎原子核,释放出质子和中子,质子会和自由的电子结合生成中子和中微子,同时内核在引力的作用下收缩,如果中子的简并压能够扛住引力,那么就会成为一颗中子星,如果扛不住,就会形成一个黑洞

上文我们也只是说了恒星的内核的演化,实际上,几乎与此同时,恒星会发生剧烈的超新星爆炸,并且生成大量的原子序数高于铁元素的原子。不仅如此,这些元素会被抛洒到太空当中成为星际物质

中子星合并

实际上超新星爆炸所产生的高顺位元素也只是一部分而已,

像金元素、银元素等稳定的元素,并不完全都是依靠超新星爆炸。依照目前最新的研究结果,科学家发现,这些元素更多的是来自于中子星的合并

中子星的合并在宇宙中是极为罕见的现象,也因此,这类元素的含量占比是极其低的,物以稀为贵,所以说,金子那么贵并不是没有道理的。

地球自身的引力不足以引发地球内核产生核聚变反应生成新的元素。因此,地球上的元素都是上一代恒星演化过程中留下来的。也就是说,在46亿年前,太阳系附近的位置,很可能存在一颗大质量的恒星,后来发生了超新星爆炸,而地球上的这些原子序数很高的元素就是来自于这颗恒星和超新星爆炸抛洒出来的星际物质。

但这里就会有个问题,那咋没有留下一个黑洞或者中子星呢?

目前来看,很有可能是太阳原本并不在银河系内。其实在距今134亿年就银河系初见规模了,但并不像现在这样,现在的银河系是“吃”出来的。说白了就是吞并其他的星系。而太阳有可能是因为被银河系吞并才来银河系内部的,这也就能解释为什么太阳系周围没有留下一个中子星和黑洞。不过,这目前也只是一种猜测,并没有得到证实。


钟铭聊科学


现在一般认为超新星爆发是产生超重元素的原因。


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地核物质外溢


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超新星爆发过程温度要急速下降,高温下等离子态的物质结合吸收能量形成比铁还要重的元素。