為什麼鐵元素會引發超新星爆發?地球上那麼多鐵會很危險嗎?

2021-01-15 優美生態環境保衛者

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。

相關焦點

  • 為什麼鐵元素會引起超新星爆發?地球上那麼多鐵會不會很危險?
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  • 為什麼第26號鐵元素會引爆恆星?地球上那麼多鐵會很危險嗎?
    但這種對人類至關重要的鐵元素卻是恆星最毒的毒藥,因為恆星中一旦演化的鐵元素,等待它的只能在超新星爆發中終結一生!為什麼恆星發展到鐵就會死?靜力平衡一個大於直徑500千米的天體,會在靜力平衡的狀態下趨向於球體,比如地球,儘管有山脈和海洋,還兩極的冰川,但地球上最高的山脈也不過8千米,和地球1.27萬千米的直徑相比,其實這個球體的精度還是很高的
  • 為什麼第26號鐵元素會引爆超新星?地球上那麼多鐵會不會很危險?
    ,都少不了鐵元素的存在,甚至我們可以這樣定義鐵,如果沒有發現鐵元素,那麼也不會有現代社會,更不可能進入宇航時代!但這種對人類至關重要的鐵元素卻是恆星最毒的毒藥,因為恆星中一旦演化的鐵元素,等待它的只能在超新星爆發中終結一生!
  • 黃金和鐵都在超新星爆發中形成,為什麼鐵那麼多,黃金那麼少?
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  • 640光年外的參宿四超新星爆發,真會威脅到地球嗎?
    關於世界末日的傳聞想必各位已經看得不要不要了,無論是真正的五大生命滅絕事件,還是諾查丹瑪斯或者霍金的預言,末日論總是出鏡率最高的,各大媒體分析時會將超新星爆發作為一個非常重要的威脅而列在其中,因為地質史上的滅絕事件據信有多次是超新星爆發造成,作為距離地球最近,在未來最有可能爆發成超新星的參宿四,會真的威脅到地球嗎?
  • 為什麼鐵元素會殺死恆星?
    然而,空間快速膨脹,宇宙的溫度和密度迅速下降,原初核合成只有條件合成出大量的氫、氦,以及極少量的鋰和鈹,但來不及合成其他更重的元素。我們身上包含了許多重元素,例如,碳、氧、鐵,以及還有比鐵更重的銅、碘等元素。那麼,這些元素都是怎麼來的呢?
  • 一顆超新星於250萬年前在接近地球的危險距離爆炸
    這種劇烈爆炸足以照亮任何在其附近的星球,星球上的夜空會變得如同白晝般明亮,並持續數個月的時間。由於恆星正在垂死掙扎,爆炸產生的某些化學成分會被甩向太空,如果某顆星球靠得太近,就會被灼燒得寸草不生,甚至直接被摧毀。一種由超新星爆發而產生的鐵的同位素—鐵60在地球上被發現,這似乎是約兩百萬年前在地球附近發生過超新星爆發的證據。數年來,研究者們一直對這個證據感到困惑。
  • 太陽會發生超新星爆發嗎?
    宇宙始於137億年前的一次大爆炸,宇宙從爆炸中生產出來的最早期的元素是氫、氦這樣的原子量比較小的元素。慢慢的,這些元素由於引力的作用聚集在一起,越來越多,就如同滾雪球一般,形成原始宇宙中的天體。這些天體又使得更多的氫元素被吸引過來。隨著天體聚集的氫和氦越來越多,引力的效應開始顯現。這些原子分子之間開始發生碰撞,溫度就會逐漸升高。
  • 參宿四亮度劇烈變化,萬一超新星爆發,碎片會飛到地球嗎?
    最後在超新星爆發的中心將形成一顆中子星或者黑洞,但以參宿四的質量,未來將形成一顆中子星。參宿四到底會不會爆發?爆發的衝擊波會不會影響地球?未來的中子星會對地球造成影響?都是本文要探討的話題。鎳-56是元素聚變的終點,但它最終會衰變回鐵-56,因為再無法核聚變,此時內核再無輻射壓支撐外殼,因此坍縮會即刻產生,巨大外殼的質量將會7-8萬千米/秒的速度撞擊內核,將會直接引發超新星爆發。
  • 為什麼26號元素鐵,可能是宇宙最後一種元素?
    目前,人類已知的元素共有118種。從第1號元素氫(H)到第98號元素鉲(Cf)都可以在地球上找到,更重的元素則是通過人工合成出來的。理論上,人類還可以合成出更重的元素,最重的元素有可能是第184號元素。在地球上,氧、矽、氮、鋁、鐵等都是十分常見的元素。
  • 超新星爆發就是天體爆炸,若黑洞也會爆炸,那麼宇宙就是由此而來
    不過,通常我們所說的爆炸都是發生在地球之上的,比如炸彈爆炸、原子彈爆炸等等。這些爆炸已經足以攝人心魄,但當我們放眼宇宙,就會發現這些發生在地球上的爆炸不過只是星星之火,在宇宙中,天體也是會爆炸的。天體爆炸?這是何等壯觀的景象。什麼是天體爆炸呢?從嚴格意義上來講,現在已知的唯一一個天體爆炸現象就是超新星爆發了。
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  • 假如盾牌座UY替代比鄰星,地球會怎麼樣?如果UY超新星爆發呢?
    其實不必,因為盾牌座UY是一顆超級紅巨星,它未來的發展會令人驚喜!盾牌座UY為什麼會那麼大?太陽質量8-10倍的恆星發展和太陽的經歷類似,但並不完全相同,因為太陽只能燃燒到碳和氧元素,但盾牌座UY可以一直燃燒到鐵,這個級別的恆星也不會爆發氦閃或者碳閃等,但它依然會膨脹成紅巨星,因為這種類型的恆星內核燃燒成氦元素後,氦元素會繼續燃燒形成鈹,再是碳,然後是氧等!
  • 假如盾牌座UY替代比鄰星,地球會怎麼樣?如果它超新星爆發呢?
    其實不必,因為盾牌座UY是一顆超級紅巨星,它未來的發展會令人驚喜!盾牌座UY為什麼會那麼大?而氦元素以及以後的元素燃燒速度更快,能量更大,結果就是恆星外殼極度膨脹,而內核則一層層分布,形成一個類似洋蔥一般的結構。最核心層會一直燃燒到鐵,因為這個質量的恆星質量足夠,其引力坍縮能足以將矽聚變成鐵,但在此之後將再不會誕生其他更重的元素(聚變會終到鎳,但會衰變回鐵)。
  • 46億年前,引發太陽系形成的那顆超新星去哪裡了?
    那麼,這些元素都是從哪裡來的呢?太陽在進行核聚變反應,這可以合成出元素。然而,太陽只是在進行氫到氦的核聚變反應,並沒有合成出其他更重的元素,所以地球上的元素並不是來自太陽。事實上,太陽上也包含各種比氦更重的元素,例如,氧、矽、鐵。也就是說,這些元素在太陽和地球誕生之前就已經存在了。
  • 地球上那麼多元素都是哪來的?地球誕生以前就有?還真是這樣
    其實我們要說的是,首先誕生的是元素,然後才有地球。有沒有毀了你的三觀?而且更關鍵的是不管有沒有誕生地球,這些元素都將會存在!但此時恆星內核再無能量輸出,鐵核坍縮即將超新星爆發。超新星合成的元素前文說了鐵核後面的元素需要吸收能量才能誕生出新的元素,而鐵就是分水嶺,如下圖,這就是元素的比結合能表。
  • 太陽的前世是超新星,後世是白矮星,那麼會一直是白矮星不變?
    以太陽的質量來看,太陽的這輩子是沒法超新星爆發了!因為它的上輩子炸得有點狠,所以重新聚攏起來的太陽在這輩子已經沒有機會了,而下輩子?很抱歉太陽已經沒有下輩子了!為什麼會有這樣的理論,咱不妨來簡單了解下!
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    超新星一般有兩種可能下引發:突然重新點燃核聚變之火的簡併恆星或是大質量恆星核心的引力坍縮前者就是Ia型超新星爆發的過程,一般是白矮星從臨近的紅巨星那裡吞噬物質,超過錢德拉塞卡極限後點燃了碳聚變,因為白矮星已經是緻密狀態,無法通過輻射壓來調節,因此失控的核聚變反應會將整顆白矮星都炸飛
  • 白矮星中子星物質已經不能用元素解釋,那麼黑洞裡面還有物質嗎?
    本文完全是借題發揮,基於網友提出這樣一個問題:黑洞的密度無限大,那麼黑洞會是什么元素組成的?塌縮的鐵會形成新元素嗎?其實這個問題表述不是很準確。黑洞密度無限大只是指黑洞中心的奇點。現在人們認識黑洞一般把黑洞史瓦西半徑包括在內。
  • 250萬年前,地球附近發生超新星爆炸,宇宙外來元素覆蓋地球
    該科學團隊由慕尼黑工業大學多位物理學家組成,他們在地球的殼層中發現了與超新星爆發相關的元素,並且根據對該元素的研究發現早在250萬年前地球附近可能發生過超新星爆炸,那麼該元素是什麼?它為什麼可以作為研究的證據呢?