地球上的重金屬都來自哪裏?需要穿越到百億年前!
地球上擁有近100種天然元素,而所有這些元素在地球誕生之初,也就是大約46億年前就存在了。正是如此豐富多彩的元素,才讓地球擁有豐富的地形地貌和多彩的生命世界,才能孕育出人類這種高級智慧物種。
重金屬在我們日常生活中是很常見的,即便是我們人體內,也含有重金屬,比如說鐵、鋅、銅、錳、钴、硒等重金屬。這些重金屬元素在人體內參與多種酶的活動,調節代謝過程,維持身體的正常功能,因此適量補充這些元素對于維持健康是非常重要的。
那麽,你沒有想過,這些重元素到底來自哪裏?最初是如何形成的?爲什麽越重的元素含量就會越少呢?比如說金銀和鉑等重金屬含量都很少。
想要知道這些問題的答案,我們需要一些穿越到百億年前,一直到宇宙誕生之初。
主流科學理論認爲,我們的宇宙起源于138億年前的大爆炸,也就是宇宙大爆炸理論,我們如今看到的一切都是宇宙大爆炸的産生。而在宇宙138億年的漫長演化史上,最初的三分鍾是極其重要的。
科學家們表示,宇宙大爆炸最初的三分鍾發生的事件總和,遠遠超過之後138億年的事件總和!很難想象,最初的三分鍾經曆了怎樣複雜的演化進程,而正是最初的三分鍾奠定了之後長達138億年宇宙演化史的基礎。
宇宙在誕生之初,形成的元素其實是非常有限的,只有氫和氦兩種最輕的元素,其中大部分都是氫。而在之後的漫長歲月裏,宇宙就像一個“超級大熔爐”一樣,不斷“鍛造”出更重的元素,開啓了極其漫長的“創世之旅”。氫和氦等元素通過相互碰撞,發生融合形成更重的元素,那麽具體的進程是怎麽樣的呢?
兩個字:恒星!
我們得感謝恒星,因爲它就是冶煉元素的“大熔爐”。
宇宙中只有氫和氦兩種元素的狀態持續了相當長的時間,大約一億年!之後隨著宇宙溫度不斷下降,氫和氦開始發生融合,融合的動力就在于引力,准確來講是“不平衡的引力”。
我們都知道,引力無處不在,但如果宇宙間的引力是平衡的,宇宙誕生之初的氫和氦等元素就不會在引力作用下聚集在一起,而是會彼此保持平衡。
但是,絕對平衡的完美宇宙是不存在的,由于宇宙中存在溫度密度的差異,就會造成宇宙某個區域的引力稍大,于是在引力的作用下,就會吸引更多的物質(氣體雲)不斷聚集過來。
聚集而來的氣體雲帶來了更多的質量,也意味著更大的引力,然後又會吸引更多的氣體雲。就這樣這個過程不斷反複,就像滾雪球一樣,越來越多的氣體雲不斷聚集在一起,聚集的速度越來越快,質量和引力會不斷變大。
氣體雲的核心溫度和壓強會越來越高,到了某個臨界點,就會引發宇宙中極其重要的一個大事件:核聚變。也宣告恒星的誕生。
而核聚變就是氫元素聚變成重元素的過程。拿我們的太陽來講,太陽的核心溫度高達1500萬度,壓強達到地球大氣壓的2500億倍,在如此高溫高壓下,氫會聚變成氦,然後是碳,氧等更重的元素。
質量更大的恒星,能聚變出更重的元素。但是恒星的核聚變並不能一直持續下去,一旦聚變到鐵元素,恒星核聚變就戛然而止了,或者說恒星就死亡了。爲什麽這麽說?
簡單說,因爲鐵是最穩定的元素,鐵元素的比結合能最高。
何爲比結合能?先了解一下“結合能”的概念。我們都知道原子核是由質子和中子等核子構成的,質子和中子之間通過強核力結合在一起,通過強核力結合在一起的能量就是“結合能”。如果想把核子分開,需要強大的能量來對抗核子之間的“結合能”。
說白了,就是核能。
而比結合能就是結合能與核子數量的比值,就相當于GDP與人均GDP之間的關系。比結合能越大,代表元素越穩定。而鐵元素的比結合能是最大的,所以也最穩定。
比鐵更輕的元素在聚變的過程中,都會釋放出能量。而比鐵更重的元素想要發生聚變,不但不會釋放能量,反而需要吸收能量。
而我們都知道,恒星之所以能保持長達數十億年的穩定,就是因爲核聚變過程中釋放的能量與自身産生的萬有引力達到平衡。如果聚變的過程不再釋放能量,就沒有力量與萬有引力保持平衡,結果就是萬有引力徹底失控,恒星開始在引力作用下急劇向內坍縮,實際上也宣告了恒星的死亡。
但並不是所有恒星都可以聚變到鐵元素的,比如說我們的太陽,由于質量不夠大,由于核心壓力和溫度不夠,並不足以聚變出鐵元素。不過科學家在對太陽光譜進行分析時,發現太陽含有比鐵更重要的元素,這到底是怎麽回事呢?
唯一的解釋就是:這些比鐵更重的元素一開始就存在了,並不是通過太陽的核聚變産生的。那麽一開始就存在的重元素到底來自哪裏呢?
接著恒星的死亡來講。恒星的死亡,並不意味著元素聚變的結束,雖然比鐵更重的元素發生聚變時需要吸收能量,但如果真的有足夠多的能量,比鐵更重的元素也是可以繼續聚變下去的。
而恒星死亡之後,在引力的作用下會急劇向內坍縮,尤其是大質量恒星,坍縮的過程更加劇烈。龐大的恒星物質在向內坍縮的過程中不斷撞擊死亡恒星的內核,給內核帶去了巨大的能量,溫度和壓強急劇攀升,足以引發新一輪的聚變,比鐵更重的元素會繼續聚變下去。
這其實就是超新星爆發,是大質量恒星的專利。超新星爆發過程中會在短短幾秒時間裏釋放出超級能量,以高能粒子的方式噴射出來,影響範圍非常廣。最終只會留下致密的內核,也就是中子星甚至黑洞,而內核外的物質則被抛灑到浩瀚星際空間,成爲下一代恒星和行星的原材料,主要以輕元素爲主。
而我們的太陽就是通過不斷聚集這些原材料形成的恒星,這也是爲什麽科學家們會在太陽上發現少量比鐵更重的元素,因爲太陽並不是第一代恒星,而是第二代或第三代恒星(科學家們並不確定,但肯定不是第一代),上面的重元素只是繼承了第一代恒星的物質而已。
科學家們一度認爲比鐵更重要的元素就是通過超新星爆發産生的,不過之後發現理論上可能行不通,這並不是說超新星爆發不能産生重元素,而是說不能産生足夠的重元素。
因爲比鐵更重的元素主要通過俘虜中子,發生貝塔衰變産生的,理論上超新星爆發確實可能在短時間裏制造大量重元素,但由于缺乏足夠的中子,實際上是很難行得通的。
而天文學家在觀察另一個宇宙大事件時,發現了重元素的另一種來源方式:中子星碰撞。中子星是大質量恒星死亡後的致密內核,密度非常高。而且還有一個特點,中子星通常都會以雙星系統出現,也就是說兩顆中子星圍繞著彼此運行。在運行的過程中,難免會因爲各種未知因素發生碰撞,碰撞瞬間會釋放出超級能量還有大量中子,足以在極短時間裏制造出大量的重金屬,比如說金銀, 鉑等。
總結 : 地球上所有生命都是碳基生命,而大自然花費了長達一億年的時間才制造出了碳元素,之後又經曆漫長演化,通過恒星核聚變,超新星爆發和中子星碰撞,制造出比鐵更重的元素。
某種意義上講,你我包括我們每天所見的宇宙萬物,其實都是“核廢料”,因爲幾乎所有的元素都是來自死亡的恒星,准確來講來自死亡恒星的“灰燼”,而中子星則是大質量恒星死亡之後的“墳墓”。
再次回想恒星的整個演化史,只能用“悲壯”兩字形容,但悲壯中絲毫不缺乏新生的力量。恒星的每次死亡,都意味著另一種新生,年輕恒星的浴火重生。埋藏在宇宙每個角落裏的金銀等重元素,似乎都在訴說著數十億年前上演無數次的宇宙大事件。
而我們每一個人,其實都是宇宙漫長演化史的見證者,因爲我們身體內的每一種元素都來自數十億甚至上百億年前的恒星!---來源: 宇宙時空-