本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
一直有許多人對中子星物質奇高的密度百思不得其解,由此得出兩個結論,一是不相信,二是認為由什麼特殊元素組成,只是人類還沒有發現。
這不有人就提出,中子星每立方釐米億噸密度,是不是代表那裡有人類未知元素存在呢?
肯定回答:不代表。
不管這個宇宙有沒有我們還未知的元素存在,都不可能在中子星上找到。
人類已經發現了宇宙中約118種元素,這些元素在自然界只存在92種,有26種元素是人類通過核聚變做加法製造出來的。
儘管如此,這些元素都應該是自然界中存在的。
在某種特定條件下產生,比如小行星撞擊產生了某些元素,但由於這些元素半衰期太短,很快就衰變成別的元素,無法在自然界穩定的保存,因此,人類比較難在自然界得到。
所以就想盡辦法製造。所謂做加法,就是只能將兩個輕元素通過融合製造出重元素。
理論上如果自然界不存在的元素,人類是無法製造出來的。
那麼,元素是宇宙天生的還是製造出來的呢?
宇宙誕生初期只有氫氦元素和及少量的鋰元素,這是元素序號中排在1、2、3號最輕的幾種元素。
比它們重的一些元素,都是恆星核聚變生成的。
而且比26號元素鐵更重的元素,因為產生所要求的溫度和壓力特別高,只有超新星大爆炸或者緻密大質量天體相撞才能夠產生。
類似太陽質量左右的恆星,核心壓力和溫度最終只能生產出6號元素碳,整個梯級元素為氫(H)、氦(He)、鋰(Li)、鈹(Be)、硼(B)。
也就是說如果宇宙中都是太陽一樣的恆星,就只能產出以上6種。
質量大於太陽8倍的恆星,中心溫度可以維持梯級核聚變到26號元素鐵為止。這個世界上本來就只有鐵及以下的26種元素了,那麼這個世界就不會有我們和一切生物存在。
因為組成我們的基本元素就有60多種,加上一些可有可無的元素,人體中的元素有上百種。
好在大質量恆星會發生超新星大爆炸,這種爆炸可以產生億億個大氣壓,100億乃至上千億度的高溫,這樣我們已知的118種重元素就誕生了。
我們地球上怎麼會擁有宇宙中幾乎所有元素呢?
我們太陽系有宇宙中所有元素,是因為太陽系就是在一坨超新星大爆炸後的殘渣中生成的。
所有的恆星演化晚期都只是把核心燃料燒光了,絕大部分外圍的氫和氦等元素還保留著,這些元素,不管是紅巨星膨脹漸漸飄散到太空還是超新星大爆炸回歸太空,都會成為新的再生星雲,成為孕育恆星的「羊水」和「營養」。
這種再生星雲主要成分還是氫和氦,佔比在98以上,其他重元素只有不到2%。
但太陽就在這樣一坨殘渣中生成,當然就擁有了宇宙中幾乎全部元素種類。而這些元素更多的是集中在地球等幾顆類地行星上。
在太陽系,太陽佔據了99.86%的質量,其餘的所有行星和矮行星、衛星、小行星等加起來也才佔0.14%,地球只佔有0.0003%。
太陽是一個等離子體,主要由氫和氦組成,其他幾個氣態行星也主要由氫氦甲烷等組成。
宇宙中還有沒有發現的元素嗎?
完全有可能。
但這種可能不是說要在特殊天體上去找,而是人類目前科學水平有限,有些元素憑人類現有的能力很難發現,今後要發現很可能還是在地球上。
因為地球本身就是超新星大爆炸殘渣的聚合物,而且地球自從誕生以來,經歷了幾乎所有的宇宙極端事件,包括咖瑪射線暴的照射。
伽馬射線暴是超新星爆發,或黑洞、中子星等極端天體相撞的超級能量暴,是宇宙中頂級殺手,理論上沒有什么元素不能在這種巨大能量中產生。
這種極端能量產生的物質也漂浮在太空,也會飄落到地球上。地球已經存在45億年了,什麼世面沒見過?
現在人類還沒有發現宇宙中存在地球上沒有的元素。這不僅僅是人類派出的探測器收集回來的資料證明,而且人類現在已經觀測到百億光年的星系和恆星,不同的元素可以通過不同的光譜分析,迄今並沒有發現含有未知元素的光譜。
因此人類有可能還會發現新的元素,但這種新元素在地球上發現的可能性更大。
中子星上沒有新元素,只是極端密度的特殊物質。
現在來說說為什麼新元素不會在中子星上找到。
最簡單的答案就是中子星物質已經不是由我們認知的任何元素組成。
組成元素的基本單元是原子,中子星上極端的引力壓力下,原子被壓垮了,壓碎了,電子擠進了原子核,帶負電荷的電子與原子核中帶正電荷的質子柔和在一起,中和了,因此成為了中子。
這樣,加上原子核中原來的中子,實際上中子星就是由一堆中子組成,依靠中子簡併壓支撐著強大的引力壓,保持著中子態物質和中子星的形態。
而中子星的密度就相當原子核的密度,因此密度極端。
原子是由原子核和核外電子組成,核外電子由於動能形成一個堅實電子外殼。
原子半徑,也就是這個外殼的半徑約10^-10m,而原子核的半徑約10^-15~16m,原子半徑比原子核半徑大10~100萬倍。也就是說原子的體積至少比原子核要大千萬億倍,甚至億億倍。
而原子質量主要集中在原子核上,佔整個原子的99.96%。
電子外殼與原子核之間從質量意義上來說基本就是一個虛空狀態,因此普通由原子組成的物質都是很疏鬆的。
當巨大的壓力把原子壓垮了,把原子核都壓碎了,中子們擠在一起,物質不就縮小了千萬億倍,相當原子核的密度了。
一塊本來1.4g/cm^3的物質(太陽密度),增加千萬億倍,不就成了14億噸/cm^3了嗎?
因此中子星上面的物質已經不是由原子組成的物質,不管中子星之前由什麼物質組成,成為中子星後,都被從原子層面打碎了,物質的任何性質都不存在了。
有理論認為,整個中子星並不是完全由中子組成,從表層到深入一層層壓力越來越大才完全成為中子態的,這個就不討論了。
中子星的蛻變。
中子星上高緻密物質,在極端條件下,又會發生改變。
中子星相撞,上面的中子態物質撞到太空,脫離了中子星極端環境,就會很快貝塔衰變膨脹爆炸成為常態物質。
據科學家測算,2017年觀測到的兩顆中子星相撞引力波,這種撞擊撞出的物質,會形成300個地球質量的黃金,漂浮在太空。
地球上的黃金儲量,主要就是來源於這種天體事件。
而當一個中子星通過吸積,質量超過3.2個太陽,就會繼續坍縮成為一個黑洞,這時候,所有物質都無限坍縮到黑洞中心無限小的奇點上,別說元素,連物質都沒得做了。
就是這樣,歡迎討論,感謝閱讀。
時空通訊原創版權,侵權抄襲是不道德的行為,敬請理解支持。