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2 # 魅力科學君
先簡單講一下,“重元素來自恆星內部的核聚變,地球可以說來自恆星的遺骸,為什麼旁邊還能產生新的恆星?”這個題目不太準確,地球確實可以說是來自恆星的遺骸,但宇宙中比鐵重的元素並非來自恆星內部的核聚變。好的,我們現在來糾結一下主要問題。
為什麼恆星的遺骸旁邊還能產生新的恆星?在過去的日子裡,科學家們透過光譜分析,已經確認了太陽的成分,其主要成分如下表所示。
我們都知道,目前的太陽核心正處於最初級的由氫到氦的反應,假如太陽是第一代恆星的話,那麼它的成分就應該只有氫和氦這兩種元素,但事實卻證明太陽還包含了一些更重的元素,這就意味著,太陽中的這些較重元素來自於上一代的恆星,也就是說,太陽至少是第二代恆星。
為什麼恆星消亡後又會形成新的恆星?宇宙中的氫元素用不完嗎?在看到上面的太陽成分表時,可能有人會認為太陽中那24.85%的氦是太陽內部氫的核聚變所生成的,然而這是一個不全面的認知,實際上,太陽所包含的氦元素大部分都是來自於宇宙誕生之初。
在發生在137億年前的“大爆炸”以後,整個宇宙都處於一個急劇膨脹以及迅速降溫的過程,在這個過程中的某一段時間裡(“大爆炸”後10秒至35分鐘左右),宇宙的溫度和密度非常適合輕核聚變的標準,因此在這段時間裡形成了大量的氦原子核以及微量的其他輕元素。在這段被稱之為“原初核合成期”的時間段之後,宇宙透過核聚變反應就生成了佔其總質量大約25%的輕元素,其中絕大多數都是氦。
因此我們可以看到,太陽透過核聚變產生的氦遠遠沒有想象中的那麼多,相應的其消耗的氫也比想象中的要少得多。事實上,只有太陽核心的氫在參與核聚變,而太陽外層的氫,卻會因為其內部強大的輻射壓而永遠無法到達太陽的核心,根據科學家的計算,即使在太陽消亡的那一刻,它也只能消耗掉自身10%-30%的氫。而那些質量巨大的恆星,其內部核聚變產生的輻射壓比太陽更為強大,因此在這些恆星消亡後,還會剩下更多的氫燃料。
恆星內部核聚變反應的劇烈程度與其質量的大小息息相關,質量越大,反應就越激烈,相應的這顆恆星的壽命就越短。那些質量巨大的恆星,大多數都是在“燃燒”百萬年左右之後,就透過超新星爆發的方式消亡了,在這個過程中,它們將自己一生所創造的元素,以及大量的未參與核聚變反應的氫元素拋灑到宇宙空間裡,而它們的殘骸就形成了中子星或者黑洞。質量中等的恆星,一般都會在其演化末期膨脹為巨型天體,當最後消亡時,它們會在宇宙空間中留下一大片行星狀星雲。
只有那些質量極小的恆星才會“精打細算”,在長達萬億年的時間裡慢慢地耗盡自己的氫元素。除此之外的其他恆星消亡後,在它們遺骸附近的很大一片區域裡,依然有著大量的氫元素,由於這類區域的物質密度相對較高,因此在這裡的物質更容易互相吸積,隨著吸積過程的持續,它們還可能捕捉到宇宙空間中的那些遊離的氫元素,並在很多年以後形成新的恆星。
那麼宇宙中的氫元素到底有多少呢?其實宇宙中的氫元素並不是集中在恆星上。與之相反,宇宙中絕大部分的氫元素都是分佈在廣袤的空間裡的,只有極少數的氫元素在機緣巧合的情況下,才能透過互相吸積的過程形成恆星。這兩者之間數量比例,用“滄海一粟”來形容也不為過。
因為宇宙中的氫元素本來就非常多,而恆星只佔了極少的一部分,並且恆星消耗氫的效率也非常低,所以宇宙中的氫元素總量也下降得非常緩慢,看上去就像宇宙中的氫元素用不完一樣。事實上,在從宇宙誕生到現在的137億年的時間裡,宇宙中的氫元素總量幾乎沒有什麼明顯的減少,也就是說,我們的宇宙還可以在未來很長很長的一段時間裡保持星光燦爛。
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糾正你一個錯誤,恆星核聚變最重的元素只能產生鐵元素,鐵以上的重元素來自於超新星爆發,早起的恆星是由星際雲形成,當然行星也是星際雲形成,只不過質量大的行星因為引力大導致內部壓力大,從而發到核聚變的條件,成為恆星,恆星死亡後的超新星爆發又形成星際雲,這是一個無線迴圈