這個問題涉及到了對宇宙的起源、發展演化、物質循環的系統性認知。從我們所生活的地球上的物體,再拓寬視野進入太陽系,然後是銀河系,再到更加廣袤的河外星系,共同組成了我們可觀測宇宙的一部分,而這些宏觀物體都是由微觀原子構成,而微觀原子又由於質子和中子的不同組合,形成了豐富多彩的物質世界。那麼,我們追根溯源,這些物質都是怎麼來的呢?
宇宙大爆炸-所有物質的起源
其實在人類剛開始探測宇宙的奧秘時,並沒有意識到我們的宇宙到底從何而來,直到科學家們相繼觀測到宇宙微波背景輻射時,應用現有理論體系根本無法進行合理解釋。後來,隨著哈勃利用天文望遠鏡長期觀測到目標星體與地球的距離在逐漸遠離,距離越遠的星系紅移現象越明顯,科學界才逐漸形成了宇宙逐漸膨脹的事實,然後以現在的時間點進行倒推,提出了現在的宇宙來源於最初質量無限大、體積無限小、能量無窮高的奇點大爆炸假說。
大約138億年前,在奇點大爆炸的瞬間,隨著巨大能量的釋放,宇宙空間呈現大暴漲,以指數級體積增長的方式奠定了原始宇宙的基礎。在大暴漲之後,能量在真空環境下發生衰變,逐漸產生質子、中子、電子、夸克等所有基本粒子。幾十萬年之後,通過真空衰變的長時間醞釀,質子和中子才慢慢地結合形成原子核,然後又過了幾十萬年,這些原子核和電子才進行了結合,從而誕生了宇宙中第一批中性原子,其中佔比最高的為氫、其次為氦,氫的比例可以達到90%以上,從而為宇宙中星體的誕生創造了最基本的條件。
恆星核聚變-接納大爆炸後產生的物質並且創造新物質
根據科學家推測,在宇宙奇點大爆炸之後的幾億年時間裡,星際空間中充斥著的物質主要是氫和氦等質量非常輕的氣體,宇宙中沒有一點光明。隨後,在星際氣體相互之間引力的作用下,這些氣體開始抱團,有些規模較大的氣團又相互聚合,形成原始星雲團。
這些星雲團與星雲團之間開始發生了比較明顯的引力擾動現象,促使一部分區域形成氣體密度更大的空間,從而可以吸聚更多的星際氣體,而且吸聚的速度越來越快,在氣體相互撞擊和引力壓縮的影響下,形成了溫度逐漸上升的核心區,恆星的「胚胎」逐漸登上了歷史舞臺,因此宇宙中最原始的一批恆星,是誕生於宇宙大爆炸之後5-6億年左右的。
當核心區積聚的物質規模達到一定程度,使得核心區溫度上升到700-1000萬攝氏度時,就會觸發之前吸聚大量氫元素的核聚變臨界點,核心區就會開啟氫元素的核聚變進程,從而拉開了恆星的序幕。之後,通過4個氫原子核聚變形成1個氦原子核、同時釋放若干光子和相應能量的鏈式反應,恆星內部持續進行著氫元素的消耗,而向外源源不斷地釋放著光子和能量。
維持恆星內部核聚變進程的主要因素在於內核的溫度,溫度的維持依賴著參與核聚變物質的不斷輸入,而恆星內核在核聚變的過程中,會向外產生一定的輻射壓,這個輻射壓在一定程度上阻止了恆星繼續從外界吸收星際氣體的能力,所以恆星的核聚變能夠進行到什麼程度,取決於在發生聚變前的原始質量。在聚變過程中,隨著氫元素的不斷消耗,內部溫度逐步下降,向外的輻射壓不足以支撐重力作用引發坍縮,而在坍縮過程中,恆星外層原來沒有參與核聚變的氫元素,補充進內核,從而又提升了內核的溫度和壓力,確保恆星內聚變的持續。可見,恆星之所以能夠維持相對穩定的形態,與輻射壓和重力相互之間的博弈有直接關係。
然而,當恆星質量較小時,在反覆的坍縮之後,外層也沒有多作的氫元素了,恆星內部的溫度就會逐漸降低,恆星的核聚變就會慢慢終止,此時恆星核聚變的產物就以氦為主,慢慢過渡到紅矮星行列。當恆星的質量較大時,可以維持內部核聚變溫度條件的物質基礎就比較雄厚,可以滿足支撐到氦到碳、碳到氧等等後續的核聚變條件。也就是說,不同質量的恆星,其最終核聚變的產生不盡相同,於是就相應地在產生氦、碳、氧、氖、鎂、矽、磷、硫、鐵之後完成恆星主序期的使命。
而一旦聚變形成鐵元素,因為其比結合能在所有元素中是最高的,其發生核聚變所釋放的能量要低於需要輸入的能量,無論恆星質量多大,都不能再引發後續的核聚變,聚變也到達了終點。
超新星爆發-推動更重元素的產生
當恆星在完成所有的核聚變之後,如果殘餘的質量仍大於錢德拉塞卡極限(1.44倍太陽質量),則恆星外殼的引力將會超過簡併壓,恆星發生劇烈收縮,使得內部某些區域的溫度和壓力迅速升高,電子簡併氣體中電子會被原子核俘獲,引發電子俘獲反應,進一步減小簡併壓,使得坍縮更為加劇。
另一方面,電子俘獲反應相應釋放一定量的伽馬射線(光子),使得區域溫度迅速升高,達到重新啟動核聚變的條件,不過這個核聚變是處於失控狀態的,會在局部區域產生高能量的激波向外層反彈,從而將恆星的部分組成物質從內向外與恆星本體剝離,引發超新星爆發,根據激波能量的大小,這種爆發持續的時間有長有短,也有可能短時間內就將恆星炸毀。
由於超新星爆發時溫度超高,可以達到1000多億攝氏度,所激發的超高能量可以釋放大量的高能中子,這些高能中子如果與其它同時被釋放的其它元素相結合,就會在高溫環境下形成比鐵元素更重的其它元素。
總結一下
通過恆星的這種從吸聚物質、核聚變、釋放聚變物質、合成新物質的周期性變化過程,從而形成了目前宇宙中豐富多彩的元素,而這些元素又作為其它恆星、行星、衛星以及星際塵埃的重要組成部分。因此,構成地球以及我們人體的所有物質,其元素來源即可以追溯到最初的宇宙大爆炸,也來源於這一區域上一任恆星的發展演化以及超新星的爆發,同時也是太陽系形成過程中對這些物質的吸聚和重組的過程。