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科学家们搜寻宇宙找到元素周期表元素的起源

发布时间:2019-02-10 15:58:02

自150年前本月发表元素周期表以来,科学家们一直致力于填充元素行并理解其属性。

但是研究人员也追求了一个平行的追求:搜寻宇宙,找出所有118个元素的来源。

经过几个世纪的努力,他们已经确定绝大多数元素都是在火热的生命和奇怪的星星死亡中形成的。它们现在遍布星系,为下一代恒星和行星注入化学多样性。

事实上,地球上的每一个元素 - 除了最近由人类制造的一些元素 - 都是从45亿年前诞生我们的太阳系的星云中继承而来的。这包括我们摩天大楼中的铁,电脑中的硅,我们珠宝中的黄金,以及我们骨骼中的钙。

“由于元素的存在,我们的星系 - 我们的宇宙 - 和我们的人类之间存在真正的联系。”俄克拉荷马大学的天体物理学家约翰考恩说。

那大自然如何填满周期表呢?故事从一开始就开始了。

一开始。

在大爆炸的15分钟内,氢原子(原子序数1)在膨胀和冷却时聚集在新生颗粒的云中。其中一些迅速组合成氦(原子序数2)。

这两个元素仍占宇宙的98%,它们是恒星的主要成分。一位名叫Cecilia Payne-Gaposchkin的先驱天文学家在1925年发表了对太阳成分的第一次准确估计时发现了这一点,推翻了它与地球相似的普遍看法。

俄亥俄州立大学的天文学家詹妮弗约翰逊在星期五的科学问题上撰写了关于元素起源的评论,以庆祝元素周期表的百年纪念,他说,大爆炸后大约有1亿颗星形成。

这些恒星是巨大的,并且数百万年来,它们通过核聚变“燃烧”氢原子合成氦而产生能量,就像太阳今天的方式一样。

然而,最终所有的恒星都耗尽了氢燃料。然后他们开始以越来越狂热的速度制造越来越重的元素,在此过程中填充元素周期表的下三行。

有一段时间,它们将氦燃烧成碳(原子序数6)和氧(原子序数8)。在大质量恒星生命的最后几个世纪,它将碳转化为钠(原子序数11)和镁(原子序数12)等元素。

在最后几周,氧原子融合成硅(原子序数14),磷(原子序数15)和硫(原子序数16)。在恒星寿命很长的最后几天,它产生铁等金属(原子序数为26)。

约翰逊说,有一些非常平凡的事情。 “这是一个人类时间表。”

接下来是天文学家不祥地称之为“铁灾”。融合不能结合比铁更重的元素,因此明星突然耗尽果汁。

“它会自由落体,”约翰逊说。

在不到一秒的时间内,恒星就会自行坍塌,然后爆炸成超新星 - 将新发现的元素喷射到宇宙中。

超新星还可以释放宇宙射线,分裂较大的原子以产生锂(原子序数3),铍(原子序数4)和硼(原子序数5)。这个过程是宇宙中这些元素的主要来源。

由于英国天文学家弗雷德霍伊尔的工作,几十年来已经或多或少地解决了由铁制成的元素。其余元素的起源更难以确定。

1957年加州理工学院天文学家玛格丽特·伯比奇和她的丈夫乔治以及霍伊尔和另一位杰出的科学家威廉福勒撰写了一篇具有里程碑意义的论文。 (这篇论文以莎士比亚关于恒星的思考开始,后来变得如此着名,以至于科学家只是将其称为B2FH,作为其作者的首字母。)

当像碳或铁这样的种子原子被中子轰击并在其核中捕获它们时,会形成重元素。

麻省理工学院的天文学家安娜弗雷贝尔说:“它吞没了它们。” “那么问题是,它是否喜欢它?通常,它不会。”因此原子经历放射性衰变,并最终作为更重且更稳定的元素出现。

B2FH为这一过程如何快速或缓慢地发生了物理学。

快速过程的一个明显候选者是超新星的混乱。但是近年来,科学家们开始质疑这个想法。 “即使在巨大的超新星爆炸中,创造所有这些元素也可能没有足够的魅力,”弗雷贝尔说。

一些证据来自弗雷贝尔对一个含有大量金和其他重元素的小星系的研究。如果所有这些都是超新星的结果,它将需要这么多,以至于“你将把银河系分开,”她说。

相反,科学家们已经开始支持一种不同的现象:中子星之间的合并。

中子星是大质量恒星死亡后留下的超致密球体。它们的直径可以小到12英里,质量可以达到太阳的2.5倍。偶尔,他们中的两个被锁定在一个致命的探戈中,彼此相互螺旋直到碰撞。

这些合并释放出足够强的中子雨,以创造宇宙中最重的元素,如铀(原子序数92)和钚(原子序数94)。

这个想法在2017年得到了支持,当时激光干涉仪引力波天文台第一次发现了中子星碰撞。研究人员研究了爆炸产生的光线,发现了包括金在内的重元素的指纹。

科学家们仍然需要理清超级星和中子星合并的相对作用。但弗雷贝尔表示,科学家们越来越接近了解每种元素的来源。

“最后一个巨大差距已经结束,”她说。 “那太好了。”

第一代中子星合并发生在第一代恒星死后,他们用各种新原子喷溅宇宙。

这包括一些非常不稳定的东西,以至于它们今天不存在于我们的太阳系中 - 除了研究人员实验室中的几毫秒。

“你一直在周期表中徘徊,”约翰逊说。 “因此,在大爆炸之后大约2亿年内,你已经完成了一些元素。”

但宇宙的构成不断变化。在接下来的10亿年中,随着小恒星开始形成,新的宇宙过程开始增加某些元素的丰度。

这些恒星不足以产生比碳和氧更重的任何东西 - 或者炸成巨大的超新星。相反,当它们的核心中的融合停止时,它们会腐烂成白矮星。

白矮星可以碰撞,触发一个失控的融合过程,将星星中的几乎所有东西都转化为铁。 “你基本上可以创造一个铁弹,”弗雷贝尔说。

在此之前,在他们旷日持久的死亡期间,一些低质量的恒星也可以孵化重元素。从氦燃烧的日子遗留下来的中子以每隔几周或几个月大约一次的速率闪耀到其他元素的原子核上,逐渐在周期表中形成更重的原子。

需要超过100个捕获的中子才能将铁原子转化为稀土元素,如镧(原子序数为57)或l(原子序数为71)。然而,有很多这些恒星,它们会长时间停留,所以它们产生的元素大约是铁的一半。

1951年,一位名叫保罗·梅里尔的天文学家为这一过程找到了证据。在洛杉矶上空的威尔逊山天文台工作,他在一颗生病的古老恒星中发现了放射性元素锝(原子序数43)。

科学家们知道锝是不稳定的,很快就会腐烂掉。 Merrill意识到,这意味着它不可能被一颗已有数十亿年历史的明星所继承。如果明星成功的话,那个元素唯一可以获得的方式就是这样。

今天,在大爆炸之后的138亿年,恒星将宇宙中大约2%的氢和氦转化为其他元素。

它们现在以不同的数量存在,这取决于创建它们的过程的频率和生产率。例如,白金(原子序数78)是铁的罕见百万倍,因为中子星合并并不经常发生。 (这是珍贵金属珍贵的一个原因,考恩说。)

碳和氧等元素的存在有助于冷却银河系的角落,从而形成像太阳这样的小星星。金属的出现使得太阳系能够从围绕这些新恒星旋转的气体和尘埃盘中出现。

“光盘中现在有足够的垃圾可以形成行星,”约翰逊说。 “与氢气相比铁越多,我们就越有可能找到木星。”

铁与氧气等元素的比例增加也增加了形成具有大核心的岩石行星的可能性,如地球。 (大芯可以提供许多功能,包括产生保护生命的磁场。)

随着宇宙的老化,其中的元素将变得更重。在大约10万亿年中,当恒星形成失败时,它的构成将停止变化。

关于在那一点上会留下多少氢气存在争议。约翰逊认为相当数量将保留在星系间介质中,而弗雷贝尔怀疑它的大部分将会被改变。

但她说,它仍将存在于另一种意义上,因为所有元素实际上只是大爆炸后头几分钟形成的氢原子的重排。从那以后,他们一直在宇宙中踢,在一个或另一个元素。有些人在地球上来了,他们在那里弥补了一切。包括我们。

心爱的天文学家卡尔萨根喜欢说“我们是由明星制造的。”

这不是全部,弗雷德尔说:“我们也是Big Bang的东西。”

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