我們是星塵,也是大爆炸的灰塵

2021-01-09 天文在線

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中子星爆炸似乎是我們的起源所必備的要素。

圖為:藝術家想像的兩個正在合併的黑洞,它們與2017年LIGO探測到的黑洞類似。圖源:LIGO/加州理工學院/麻省理工學院/索諾瑪州(AURORE SIMONNET)

在2017年的時候,雷射幹涉引力波天文臺(簡稱:LIGO)實驗探測到了兩顆中子星相撞時產生的引力波,這在宇宙和整個天文界中都引起了電磁和引力的波瀾。

這一非凡事件雖備受期待,但還從未以這種方式出現過,它不僅為我們提供了一些有關恆星死亡的新數據——它還從根本上改變了我們對人類本身和組成人類的原子從何而來的理解。

你可能聽說過「我們是星塵」的觀點,這沒錯,但並不是完全正確。

本質上,恆星是一臺鍊金機器。剛開始時它是一個主要由氫氣組成的巨大球體,在自身引力的作用下,慢慢地收縮擠壓其中心區域,最終使得恆星的核心變得非常熱且緻密,成為一個核反應堆,將氫聚變成氦。

在我們太陽的核心,這個過程正在上演。每秒有數億噸氫轉化為氦,我們接收到的陽光本質上只是這些反應產生的餘熱。

絕大多數恆星的一生就是這樣度過的:不斷地燃燒自己,數十億年持續將氫轉化為氦。當它們最後死亡時,當它們變成紅巨星逸散外層時,聚變爆發,從而產生鋰、碳和氮,以及少量更重的元素。

如果想要找到能填滿剩餘周期表的化學元素,我們要找到一顆比我們的恆星大得多的恆星。設想中,這顆恆星的質量大約需要是太陽的8倍,其中心應有一個燃燒著高溫的核熔爐,這個溫度之高是我們很難想像的。

在恆星核心的氫供應被消耗完了之後,核心裡會沿著周期表順序繼續燃燒氦、碳、氖、氧和矽,僅僅幾百萬年後,恆星的核心變成了鐵,使得恆星膨脹的聚變輻射走向盡頭。

到那個時候,任何都無法阻止恆星自身的坍縮,這會導致一場壯觀的超新星爆炸。最終,殘骸中心要麼是一顆密度超高的中子星,要麼是一個黑洞。

要知道,是最後一次爆炸本身,而不是內部的燃燒過程,使得恆星留下化學遺產。在很短的時間內,衝擊波穿過恆星各層產生爆炸,產生極其強烈的熱量和壓力,從而使得核聚變前端產生的爆炸攜帶著由新元素組成的放射性外殼進入了星際空間。

宇宙中的這些星塵播下種子,準備組合成新的恆星,新的行星,新的生命。多年來,人們一直認為這些恆星的死亡是使得宇宙中富含金屬和其他重元素的主要機制。

但越來越多的證據表明,對於金、鉑和鈾等重金屬而言,超新星只是一個開始。一顆體積極小、密度很大的中子星才可能在爆炸中產生那些佔據周期表剩餘部分的元素。

回顧LIGO的探測,當這次天文現象的信號第一次被發現時,世界各地的天文學家都在用望遠鏡觀測天空的同一區域。觀測結果發現在短暫的閃耀中有一個明顯的信號,這表明恆星創造了重量足以超過地球幾倍的黃金。

中子星的碰撞似乎對我們探究化學起源至關重要,遙遠以前的時代那些難以想像的激烈的恆星活動最終誕生了我們。實際上,這個起源故事會更加複雜。

我們身體中的大多數原子根本不是來自恆星。事實上,它們要古老得多。如果把身體裡所有的原子加起來,超過60%是氫,但宇宙中大部分的氫從來不在恆星中。

氫,更確切地說,後來與電子結合形成中性氫原子的質子,是在大爆炸的原始火焰中產生的。

在宇宙形成之初,宇宙各處都被一種核前等離子體填滿,其溫度和密度甚至超過了最大質量的恆星的核心。

隨著火焰的膨脹和冷卻,構成原子核的質子和中子首先出現了。

最初氫以孤獨的質子形式出現,同時還出現了少量的氦和鋰。自第一次出現,這些原子核已經存在了138億年,它們聚集在恆星中,最終聚集成為我們。

所以,你是星塵,但也是大爆炸的灰燼:是不可阻擋的引力和時間的流動最終將古老的原子聚集到一起形成了如今的我們。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. Kylin- cosmosmagazine

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