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惊奇宇宙中最常见的第三个元素不是你所想的那个

顺义典晶

最显著的一个存在的事实是,我们曾经接触过、看到过或相互作用过的每一种物质都是由同样的两样东西组成的:带正电荷的原子核和带负电荷的电子。这些原子相互作用的方式-它们相互推拉、结合在一起、吸引和排斥,以及创造新的、稳定的分子、离子和电子能态的方式-实际上对我们周围的整个世界都有效。nA9北方热点_热点头条新闻

尽管是这些原子的量子和电磁性及它们的成分使我们的宇宙以我们观察到的特性而存在,但最重要的是要认识到,宇宙初始形成时并没有能创造我们现在所知的世界的必要成分。恰恰相反,宇宙初始时几乎没有这些成分。nA9北方热点_热点头条新闻

你看,为了实现这些不同的键结构,为了构建构成我们所感知的一切的基石的复杂分子,我们需要各种各样的原子。请注意,不仅是需要大量的原子,而且原子在类型上表现出巨大的多样性,这意味着原子中存在着质子数量不同的原子核:正是这样产生了不同的元素。nA9北方热点_热点头条新闻

我们的身体本身需要碳、氮、氧、磷、钙和铁等元素。我们地球的地壳本身需要硅和许多其他重元素,而地球的核心-为了产生所有的热量-需要的元素是一直沿着周期表到我们发现的最重的自然存在元素:钍、镭、铀,甚至微量钚。nA9北方热点_热点头条新闻

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但回到宇宙的早期阶段,在人类出现之前,在生命出现之前,在太阳系出现之前,在岩石行星,甚至在第一颗恒星出现之前,我们所拥有的只是一片由质子、中子和电子组成的热电离海。没有元素,没有原子,也没有原子核:宇宙太热了。是因为宇宙膨胀和冷却,我们才能够形成稳定的物质。nA9北方热点_热点头条新闻

但时光流逝,我们做到了。第一个核融合在一起,没有立即被炸开,产生氢及其同位素,氦及同位素,以及微量的锂和铍,后者会放射性衰变为锂。这就是我们开始研究的宇宙:一个以原子核数计算的宇宙,大约92%的氢,8%的氦和0.00000001%的锂。按质量计算,大约是75-76%的氢,24-25%的氦和0.00000007%的锂。几乎所有都是氢和氦,不管你怎么切分。nA9北方热点_热点头条新闻

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几十万年后,宇宙冷却到可以形成中性原子的程度,几千万年后,引力崩塌使第一批恒星得以形成。因此,核聚变现象不仅将光带回了宇宙,也将重元素带入了我们的现实世界。nA9北方热点_热点头条新闻

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但是否会是碳打破了记录,并在今天成为元素周期表中第三位元素呢?你可能会认为,因为恒星把元素融合在像洋葱一样的层中。氦融化成碳,然后在更高的温度下(后来的时间),碳融化成氧,氧融化成硅和硫,硅最终融化成铁。在链的最末端,铁不能融合成其他任何东西,因此核心爆炸,恒星变成超新星。nA9北方热点_热点头条新闻

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这些超新星,这一步通向他们及他们余生的步骤,使得恒星可以用所有外层来丰富宇宙,这些外层通过一些其他步骤返回氢、氦、碳、氧、硅等所有重元素:nA9北方热点_热点头条新闻

慢中子俘获(S过程),按顺序建立元素氦核与重元素(产生氖、镁、氩、钙等)的融合快中子俘获(r过程),创造元素一直到铀甚至更远但是我们不仅只有这一代的恒星:我们有许多恒星,而今天存在的恒星不仅主要由原始氢和氦构成,而且还由前几代留下的残骸构成。这很重要,因为没有它,我们将永远不会获得岩石般的行星,只有巨大的氢和氦的气体!nA9北方热点_热点头条新闻

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数十亿年来,恒星形成和恒星死亡的过程不断重复,尽管成分越来越丰富。现在,大质量恒星在所谓的C-N-O(碳-氮-氧)循环中熔化氢,而不是简单地熔氢成氦,随着时间的推移,使碳和氧的数量趋于平衡(氮含量略低)。nA9北方热点_热点头条新闻

此外,当恒星通过氦聚变产生碳时,很容易在其中获得一个额外的氦原子来形成氧(甚至在氧气中加入另一个氦来形成氖),这甚至是我们微不足道的太阳在红巨星阶段也会做的事情。nA9北方热点_热点头条新闻

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但恒星有一个致命的举动使碳在宇宙方程式中成为失败者:当一颗恒星的质量足以引发碳聚变-这是产生II型超新星的必要条件-将碳转化为氧的过程几乎全完成,当恒星准备爆炸时,产生的氧气比碳要多得多。nA9北方热点_热点头条新闻

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当我们观察超新星遗迹和行星状星云(分别是大质量恒星和类太阳恒星的遗迹)时,我们发现在每一种情况下,氧的质量和数量都超过碳。我们还发现,没有其他更重的元素靠近。nA9北方热点_热点头条新闻

是的,氢因其存在范围广泛而排名第一,氦因其庞大的数量而排名第二。但在剩下的元素中,氧强势排在第三,紧随其后的是碳(第4),氖(第5),氮(第6),镁(第7),硅(第8),铁(第9)和硫(第10).nA9北方热点_热点头条新闻

未来会怎样?nA9北方热点_热点头条新闻

经过足够长的一段时间内,至少是现在宇宙年龄的几千倍(可能更接近几百万倍),恒星将继续形成,直到燃料被喷射到星系际空间,或者直到它完全燃烧至能去到的最远的地方。当这种情况发生时,氦可能最终取代氢成为最丰富的元素,或者,如果从聚变反应中分离出足够多的氢,氢可能保持第一。在超长的时间尺度上,没有从我们的星系中喷射出来的物质可能会一次又一次地融合在一起,因此碳和氧可能有一天会超过氦;也许我们现在的第三名和第四名最终会挤进前两名?nA9北方热点_热点头条新闻

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这两颗褐矮星,经过相当长的时间尺度,将会合并成一颗恒星。也许,在足够长的时间尺度上,大多数这样的天体最终会引发核聚变。最重要的是要保持住,因为宇宙还在变化。氧是目前宇宙中第三丰富的元素,在非常遥远的未来,甚至可能有机会随着氢(然后可能是氦)从高位落下而进一步上升。每当你吸气而感到满足时,都要感谢在我们之前生活的所有恒星:它们是我们拥有氧气的唯一原因!nA9北方热点_热点头条新闻

FY: 雪狼普雅nA9北方热点_热点头条新闻

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