恆星和行星中鐵元素的形成機制有差別,鐵是恆星生命向終點進發的臨界點,而對於行星來說是物質循環的重要組成部分,對於生命的形成和發展也具有重要作用。因此,鐵能觸發超新星產生爆炸,但不會對行星運行產生任何影響。
不同質量的恆星最終的核聚變產物會有差異
恆星內部之所以能夠進行核聚變,來源於恆星形成初期,周圍大量氣體物質和星際塵埃不斷聚合的結果,隨著吸積物質的逐漸增多,內核引力逐漸增大,引發重力坍縮,加劇物質碰撞,溫度持續上升,壓力不斷加大。當達到1000萬攝氏度左右時,就會激發最輕元素氫原子的核聚變反應,四個氫原子通過鏈式反應形成一個氦原子,並且釋放光子和能量。
而維持恆星能夠穩定運行的關鍵,則是由內部的核聚變產生向外的輻射壓,與恆星外殼向內重力的平衡性所決定。當恆星內部溫度太高、壓力太大,則向外的輻射壓就會超過重力影響,引發物質大量噴發,恆星就會有機率發生爆炸。當內部參與核聚變的物質數量減少時,溫度降低,核聚變程度減弱,向外的輻射壓減小,向內的重力作用就會佔據主導地位,引起外殼物質的向內坍塌。
在坍塌的過程中,由於外殼擁有一定量的可以參與核聚變的物質,這些物質的加入可以重新提升核聚變程度,或者激發新形成物質進行新一輪的核聚變反應,生成新的聚變產物,從而推動內核壓力重新上升、溫度重新升高,向外的輻射壓提升,使恆星得以保持原來的形狀和大小。
從最輕的氫元素開始,能夠激發後來新產生元素再進行核聚變,所需要的溫度是不斷提升的。對於質量較小的恆星,由於參與核聚變的總物質量較少,即使發生坍縮,也不足以支撐新形成元素的核聚變,那麼恆星的演化歷程就結束了,比如太陽是一顆質量處於中等左右的恆星,其核聚變只能達到碳或者氧的級別,後期新元素的形成所需要的高溫環境,太陽達不到這個要求,因此最多在聚變到氧的地步之後,恆星內部的核反應就逐漸中止,形成白矮星慢慢冷卻。
而對於質量較大的恆星,由於參與核聚變的物質來源比較豐富,內核的溫度會達到很高,可以支撐後續的核反應接著進行,因此根據相應的質量級別,可以在恆星表面逐漸形成除氫、氦、碳、氧之外的圈層結構,比如氖、鈉、鎂、矽、磷、硫等等,一直可以進行到鐵元素。
當進行到鐵元素之後,由於鐵的比結合能在所有元素中是最高的,要觸發其核聚變反應,其輸入的能量要比輸出的能量還要高,因此恆星到達這一步之後,其內核就不能再產生更高的溫度,也就標誌著大質量恆星邁入了晚年的行列。
鐵元素為何能激發超新星爆炸
大質量的恆星最後在聚變形成大量的鐵元素之後,會形成一種元素分層分布的洋蔥結構,中心為鐵核,向外依次為矽層、鎂層、氧層、碳層、氦層、氫層。
當聚變形成的鐵核質量超過錢德拉塞卡極限(1.44倍太陽質量)時,就會引發鐵核的坍縮,重力勢能被釋放,部分鐵原子重新被離解為氦原子,外層電子在巨大壓力下被壓進氦核,開啟恆星中子化的進程,同時釋放大量中微子。
而在此過程發生之後,繼續進行恆星的演化,即由坍縮引發的爆炸。當坍縮的外層物質在向內核移動的過程中,遇到處在向中子化方向發展的內核時,就會產生超能量的激發波,激發波向外層進行反彈,將恆星外層的物質瞬間剝離,從而出現光度迅速上升、恆星物質大量散發的爆炸現象,也就是我們常說的超新星爆炸。
當然,恆星產生爆炸的原因,也不全是由於鐵核的坍縮,還有一種情況是失控的熱核反應,在核聚變產生過程中(還沒有進行到鐵),由於引力值大於向外的輻射壓,星體發生坍縮時,沒有被完全釋放的引力能有一部分轉化為熱能,使得星體溫度迅速升高,達到碳、氧等元素的核聚變溫度,產生失控的熱核反應,繼而高溫帶來極大的熱壓力,使簡併壓失去作用,從而在很短的時間內,失控的核聚變釋放的高能超過了引力能,推動恆星體積急劇膨脹,最終以星雲的形式遺漏在宇宙空間中。兩顆處於演化末期的恆星如果碰撞,同樣也會在聚合過程中重新激發這種失控的熱核反應,最終如果超過錢德拉塞卡極限後引發爆炸現象。
地球上的鐵是怎麼來的?
在地球的圈層中,鐵元素的含量是不一樣的。在最上層的地殼中,鐵元素的豐度排位第四,僅次於氧、矽、鋁;地幔中的主要元素為氧、矽、鐵、鎂等,其中鐵、鎂的含量較地殼有明顯的提升;而到達地核之後,主要成分變為了鐵和鎳,總質量達到了地球的三分之一。
由於地球不是恆星,內部的鐵不可能是核聚變的最終產物。經過科學家們的研究表明,地球內核中的鐵是在地球剛誕生之時就已經存在了,剛當時聚合形成太陽系中各類星體的物質,來源於上一代巨大質量恆星的超新星爆發,將核聚變的眾多產物全部拋灑到這片區域,形成了星際物質濃度相對較高的星雲空間。當時在太陽周圍,這些物質在相互碰撞之下聚合形成行星雛形。
其中地球的前身就屬於這些行星的雛形之一,再通過吸聚更多的星際物質逐漸形成了一個高溫炙熱的巖質行星,而鐵元素由於原子量較大,在引力的作用下不斷向地核沉積移動,最終演變成現在以鐵元素為主的行星內核。
總結一下
鐵元素由於比結合能最高,如果發生核聚變,所需要的能量要比釋放的能量多,即使是大質量的恆星,也提供不了鐵核聚變所需要的巨大能量,因此恆星的演化只能到鐵元素為止,這時恆星由於失去了向外的輻射壓,就會發生劇烈的坍縮現象,外層物質與中子化傾向的內核發生激烈碰撞,產生強烈的激發波,將恆星外層物質猛烈地噴出,引發超新量爆炸。而地球的組成物質是來源於上一任恆星爆發噴出物質的聚合,內部環境與恆星完全不同,其溫度和壓力難以支撐重核原子的核聚變,依靠內部緻密巖層或者液體的支撐來抵抗向內的重力,因此無論是內部物質運動還是元素形狀都非常穩定,不會發生繼續坍縮或者爆炸的危險。