恆星漫長的一生可製造20多種元素,但其死亡瞬間卻能製造更多元素

宇宙 核聚變 我們的太陽 黑洞 科普大世界 2019-06-16

我們所能看到的物質世界,都是由各種元素組成的,我們身邊的各種物品,包括我們自身都是由各種元素組成的,這些元素大部分都是恆星所創造,因此科學家們常常把恆星稱之為“元素製造工廠”。

恆星漫長的一生可製造20多種元素,但其死亡瞬間卻能製造更多元素

那麼恆星都能製造哪些元素呢?元素週期表上氫以上的一直到鐵元素之間的20多種元素恆星都能製造,它們分別是氦、鋰、鈹、硼、碳、氮、氧、氟、氖、鈉、鎂、鋁、硅、磷、硫、氯、氬、鉀、鈣、鈧、鈦、釩、鉻、錳、鐵,到了在恆星內部鐵元素被製造出來的時候,無論是什麼樣的恆星?它的壽命基本上就到頭了,專業一點的說法就是恆星主序星階段要結束了。

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不過恆星是無法制造最原始的氫元素的,因為氫元素的合成需要極高的溫度和壓力,恆星內部雖然溫度也很高,壓力也很大,但是距離能形成氫元素所需要的高溫高壓條件還很遠。宇宙中氫元素的含量達到了所有元素總量的90%以上,它們基本都是宇宙大爆炸之初就製造出來的,也只有在那個時刻才有氫元素形成的高溫高壓條件,與氫元素一起形成的還有部分的氦元素,但是由於恆星形成的時候都以氫元素居多,恆星開始核聚變也都是從氫元素開始的,而氫元素的聚變會成為氦元素,因此恆星是可以製造氦元素的,我們的太陽如今正是氫元素聚變中。

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隨著核聚變的進行,恆星內部的溫度會漸漸升高,到了一定的溫度的時候,就會點燃氦元素的聚變,這個時候恆星會發生氦閃,恆星的內部活動也會進入不穩定的狀態,接下來恆星還會聚變生成更高級的元素,只要恆星的質量足夠,它就會一路聚變到鐵元素。

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當鐵元素在恆星內部開始被製造出來的時候,就會發生超新星爆發了,這是因為鐵元素的聚變不會釋放能量,反倒會吸收能量,因此當鐵元素的恆星內部出現的時候,恆星內部的輻射壓就會趨向於消失,那麼恆星外部的物質就會向內部坍縮,巨量的物質砸到恆星的中心,提高的溫度和壓力之下會造成新的星體,它們就是中子星,夸克星或者黑洞了。

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不過宇宙中大部分的恆星質量都到不了可以發生鐵核聚變的程度,一般認為原始質量超過太陽8倍的恆星才會發生鐵核聚變,但是宇宙中的恆星與紅矮星居多,比如在銀河系中,恆星的數量佔到了80%以上,這種星體的質量只在太陽的8%~50%之間,不過它們的壽命會非常長,會長達幾百到上萬億年,但是這樣的恆星一般只能聚變氫元素,也就是它們只能製造氦元素,當氫元素被聚變得所剩不多的時候,它們會漸漸熄滅,最終成為一顆黑矮星。

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而像橙矮星,黃矮星,藍矮星這樣的星體質量也達不到聚變鐵元素的程度,它們內部的高溫高壓也有各自的限度,所以它們最終會在聚變到某一個元素階段的時候停止聚變,形成白矮星。

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那麼鐵以上的元素從哪裡來的呢?前面講到了超新星爆發,其實大量的鐵以上的元素都是超新星爆發時刻的一瞬間產生的,因為恆星超新星爆發的時刻可以瞬間釋放巨大的能量,相當於太陽百億年核聚變能量的幾十倍,這使得恆星的內部的高溫高壓瞬間提升到極高的幅度上,一般認為超新星爆發可以達到1500億攝氏度,是太陽內部最高溫度的1萬倍,於是鐵元素以上很多的元素都可以在這一瞬間被製造出來,因此超新星爆發又可被稱為“重元素速成時刻”。這也告訴我們,恆星漫長的一生雖然能製造20多種元素,但其死亡瞬間卻可以製造更多的元素。

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另外還有一種重元素製造方式,就是中子星碰撞了,中子星碰撞可以產生高達3000億攝氏度的高溫,元素週期表上後面的一些密度非常高的元素大都是中子星製造出來的,比如黃金等,因此中子星碰撞也可以被稱為“最重元素速成時刻”。不過中子星是已經脫離恆星主序星階段的星體,一般認為它屬於一種恆星殘骸。

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