元素太初

用户投稿   2024-03-10 01:24:14

元素太初

地球上天然存在的元素有94种,包括从1号氢到94号钚。而目前已知的元素已经达到了118种,另外24种元素都是人工合成的。如果排除人造元素,那么,宇宙中的其他星球上确实有可能存在地球上天然没有的化学元素。不过,其他星球上超铀元素的丰度应该会非常,并且包含的元素种类与地球不会相差太大。至于原因,这就要涉及到宇宙中的元素来源和星球的演化。

根据标准宇宙模型,宇宙的起源要追溯到138亿年前的无穷小奇点。宇宙的最初时候并没有今天所知的物质,也没有空间。宇宙从大爆炸中诞生大约10秒之后,经历了暴胀的宇宙逐渐冷下来,宇宙开始了持续时间十几分钟的太初核合成过程。在此期间,质子(氢原子核)和中子逐渐形成,并且质子和中子又结合成氦核。

元素太初

由于宇宙进一步膨胀冷却,密度和温度大幅度下降,宇宙没有条件继续进行核聚变反应。虽然太初核合成只持续了十几分钟,但这个过程产生了如今宇宙中的一切物质基础。由于光子与重子的比例,宇宙合成出的氢的质量占比近乎75%,氦的质量占比近乎25%,另外还有极少量的铍和锂。

在宇宙诞生大约一亿年之后,在经过充分冷却的宇宙中,氢和氦气体云结合形成了第一代恒星。在恒星中,通过氢会发生核聚变反应形成氦。而当氢耗尽(核心区域)之后,氦又会进一步发生核聚变反应形成宇宙中还未出现的新元素。

由于第一代恒星的质量非常高,它们在合成到26号铁元素之后会走向死亡,结果会发生猛烈的超新星爆发。通过中子俘获过程,在超新星爆发期间,又会合成更重的元素。不过,随着原子序数的增加,合成所需的条件越来越苛刻,所以元素丰度也就会越来越低。

在第一代恒星死亡之后,它们合成的重元素会散播到星云中。此后,从这些星云中诞生的恒星就会包含重元素。太阳最初也是从上一代死亡恒星的部分残骸中诞生,所以地球上才会有一系列的重元素,生命才有可能进化出来。

如果星云被大质量恒星的超新星爆发波及到,那么,从这些星云中形成的天体所具有的元素种类跟地球是差不多的,只是丰度上的一些区别而已。当然,其他星球上确实会包含少数地球上天然没有的元素,只是这些元素的丰度应该会非常低。

另外,其他星球上不大可能会出现原子序数特别高的元素,因为超铀元素非常不稳定,它们很容易衰变成更稳定更轻的原子。正因为如此,人工合成出的94号以上的元素通常只能保存很短的时间。

宇宙中除了由各种元素组成的普通物质之外,还可能存在至今未能理解的暗物质。根据观测结果推测,暗物质远多于普通物质,并且它们的组成不再是我们所知的化学元素。