外太空沒有氧氣?並不正確,它可能比你想像得還要多

2021-01-09 李論科學

原子由原子核和繞核運動的電子組成,原子構成一般物質的最小單位,稱為元素。

氫元素在地球上肯定是最豐富的元素,排在第二位的是氦,那麼第三豐富的元素呢?你知道是哪個?

早期宇宙的元素形成

在地球上我們見到過、接觸過的所有物質都是由相同的兩種亞原子粒子組成的,分別是帶正電荷的原子核和帶負電荷的電子。這兩種亞原子粒子組成的原子之間的相互作用的方式(相互吸引、排斥、結合,組成新的、穩定的能態)是我們周圍世界存在的原因。

雖然正是這些原子的量子和電磁特性使我們今天的宇宙得以存在,但我們知道,宇宙一開始並沒有創造出組成萬物所必需的基本成分,更沒有所謂的化學鍵和大分子結構。

那麼為了形成不同的化學鍵結構,為了構建複雜的分子,我們就需要大量不同的原子。不僅數量要大,而且原子的類型也要充滿多樣性,或者原子核中質子的數量要有很大的差異。

我們人體存在本身需要碳、氮、氧、磷、鈣和鐵等元素,而這些元素在宇宙最初形成時並不存在。我們地球的存在本身就需要矽和無數其他重元素,甚至是從元素周期表中最輕的元素一直到我們發現的自然產生的最重元素:鈾,甚至是微量的鈽。

事實上,我們在太陽系中所有的星球上都發現了元素周期表中所有重元素存在的跡象,除了在人類幹預下創造的重元素外,我們已經在自然界發現了大約90種自然存在的重元素。然而,在人類出現之前,在生命出現之前,在太陽系形成之前,甚至在最早的恆星出現之前,在宇宙的早期階段只是一片由質子、中子和電子組成的、熾熱的離子海洋。

隨著年輕、熾熱、稠密的宇宙隨時間的膨脹和冷卻,最終達到了一個可以穩定融合質子和中子形成原子核的程度。因為早期輻射粒子(主要是光子)的能量過高會導致原子核被電離,也可以認為會被炸開。

這個時候質子和中子的融合稱為大爆炸核合成,其實跟恆星聚變的道理一樣,也是一系列的連鎖反應。但一個不斷膨脹的宇宙不管從密度還是溫度上來說都不及恆星核心的條件。

因此在一次連鎖反應之後,我們得到了一個這樣的宇宙(按照原子核的數量計算),其中氫佔92%,氦佔8%,鋰佔0.00000001%,鈹佔10^-19。為什麼沒有形成更重的元素?

單個質子和單個中子融合形成氘,這是鏈式反應中形成重元素的第一步,要想完成這一步宇宙必須先冷卻下來,但是當宇宙達到相對較低的溫度和密度時,除了少量的氦以及微量的鋰以外,宇宙就已經製造不出來任何比鋰更重的元素了(具體細節可以戳上面的連結)。因此宇宙在很短的一段時間裡,鋰(元素周期表上的第三種元素),是宇宙中第三豐富的元素。

但是宇宙一旦開始形成恆星,一切都會發生改變。

在第一顆恆星誕生的那一刻,也就是宇宙大爆炸後大約5千萬到1億年間,大量的氫開始融合成氦。但更重要的是,那些質量最大的恆星(質量是我們太陽的8倍以上的恆星)燃燒氫燃料的速度非常快,只需要幾百萬年的時間就能耗盡氫,一旦這些大質量恆星的核心耗盡了氫,氦核就會收縮並開始將三個氦核融合成碳!只要在整個宇宙中存在大約一萬億顆這樣的重恆星,鋰作為第三豐富元素的位置就會不保。

但最終打破紀錄,佔據第三位置的會是碳元素嗎?

我們知道恆星是在類似于洋蔥層中融合元素的。其中氦聚變生成碳,然後在更高的溫度下,碳聚變生成氧,氧聚變生成矽和硫,矽最終聚變生成鐵。在最末端,鐵無法融合成其他任何元素,因此核心內爆,恆星變成超新星。

超新星的爆發豐富了宇宙介質中元素的成分,包括返回的氫,氦,碳,氧,矽,和所有通過其他過程形成的元素:

慢中子俘獲(s過程),按順序形成元素,氦原子核與較重元素的聚變(產生氖、鎂、氬、鈣等),以及快中子俘獲(r過程),創造比鐵更重的元素,一直到鈾,甚至更重。超新星爆發以後會產生大量的自由中子,這些中子會和其他原子核碰撞並被捕獲,所以稱為中子捕獲過程,其中按捕獲的速度又分為快和慢。它們都可以形成在恆星聚變過程中,無法產生的元素。

經過許多代的恆星,這一過程不斷地重複。而大質量恆星並不只是簡單地將氫融合成氦來產生能量(也就是質子-質子鏈反應),而是更多的在所謂的碳-氮-氧循環(也稱為貝斯-魏茨澤克-循環)中融合氫來產生能量,隨著時間的推移,碳和氧的數量會趨於平衡(氮的含量有所減少)。 當恆星經歷氦融合產生碳以後,很容易再獲得額外的氦原子來形成氧,甚至在氧中加入另一個氦來形成氖。 當一顆恆星大到足以開始將碳燃燒成氧時,這個過程幾乎完成得很徹底,因此產生的氧要比碳多得多。

當我們觀察超新星遺蹟和行星狀星雲時,它們分別是超大質量恆星和類太陽恆星的遺蹟,我們發現在所有的情況下,氧的質量和數量都遠遠超過了碳。我們還發現,其他較重的元素都沒有氧的含量高!這些氧原子可以在氣體雲中鍵合形成氧氣,甚至和其他元素組成更加複雜的化學分子。

宇宙的壽命和恆星存在的時間,告訴我們氧是宇宙中第三豐富的元素。但它仍然遠遠落後於氦和氫。

總結

經過足夠長的時間周期,至少是現在宇宙年齡的幾千倍,甚至可能是幾百萬倍,氦最終可能超過氫成為宇宙中最豐富的元素。在非常長的時間尺度上,宇宙中的元素經過一代又一代恆星的融合,甚至碳和氧最終可能會超過氦稱為宇宙中最豐富的元素。

宇宙仍在變化!氧是目前宇宙中第三豐富的元素,在非常遙遠的未來,甚至可能有機會隨著氫,然後可能是氦從高位跌落而進一步上升。當我們每次一次呼吸並感到滿足的時候,應該感謝所有在我們之前存在的星星,因為它們是地球擁有氧氣的唯一的原因!

相關焦點

  • 批判性思維,比你想像得還要重要
    這種人往往是先入為主,對那些不同的但可能正確的觀點、意見,他們聽不進去;或者被貪慾蒙蔽,只見利益「誘餌」而看不到風險,也不對可能的風險進行深入調查而落入「陷阱」。而批判性思維,可以使我們做人做事趨向成熟,減少錯誤。批判性思維,是一種理性與客觀思維,是一種對他人的觀點與思維進行質疑與評估並判斷其對錯的方式,這種思維可以避免犯「輕信盲從「與「自以為是「的錯誤。
  • 氧氣是生命之源,存活不需要氧氣?古老地球有多神奇?
    地球是目前太陽系中發現的唯一一個可以孕育生命的星球,自古以來,外太空都是一個令人遐想的空間,所謂的「外面的世界」遠遠比我們想像的要更加廣闊和神秘!帶著憧憬人類邁出了地球,成功地看見地球的真面目,也看清了外太空的真面目,沒有氧氣,就沒有辦法存活,這是現代人類一貫的思維,在古老地球中沒有氧氣,生物是如何存活的?從遙遠的外太空看向地球,給人的第一印象就是「水球」,地球71%是海洋,陸地僅有29%,大致上呈現的是藍色,但實際上地球還是一個比較多彩的星球!
  • 既然燃燒需要氧氣,那麼火箭在外太空是如何飛行的?
    問:飛行高度在大氣層中的商用飛機和噴氣式戰鬥機可以用氧氣作為助燃劑,要進入太空的火箭呢?那裡根本沒有空氣,火箭在太空中要怎樣點燃引擎和燃燒燃料呢?答:燃燒反應只需要兩個要素:燃料和氧化劑。大多數航空火箭自行攜帶燃料和氧化劑,所以它們不用靠從外太空獲取氧氣。
  • 地球現布滿鑽石外太空石頭:比太陽系還要早 很奇異
    地球上有一塊奇異的石頭,它不同於太陽系中的任何物體,並且可能比科學家此前認為的還要奇異。這塊石頭名為希帕提婭石,於1996年在埃及西南部被發現。它的體積連鵝卵石都比不上,最寬處直徑只有3.5釐米,重量也僅有30克。但分析顯示,希帕提婭石似乎不屬於任何一類已知隕石。
  • 沒有氧氣的地球,人類還能生存嗎?西瓜視頻找答案
    我們知道,人類一分鐘16次,一天23,000次,沒有比呼吸更自然的事兒。大多時候你都意識不到呼吸對你的重要性,但是據我們目前已知的宇宙中,只有在地球,你才能自由的呼吸。地球,如果沒有氧氣,也許生命的軌跡會完全不一樣了。
  • 這些動物,比你想像中的還要大得多!
    話說,這個星球上有很多動物,有時候儘管我們知道它很大,但是由於缺乏參照物的對比,對於其真實大小尺寸,還是很難有一個清晰的概念的!近日,boredpanda網站總結了一組主題為「「那些出乎意料比想像中大的動物」,看完讓人虎軀一震!一起來感受下: 北美野牛,體重可以達到1噸!
  • 《柳葉刀·腫瘤學》:癌症的早期症狀,可能比你想像得還要多!
    哪些症狀在癌症早期多見?哪些則更常出現在癌症晚期?最近,倫敦大學學院研究團隊探究了這一問題。他們在英國一個國家癌症資料庫中選取了近8000名癌症患者,以及20種常見的癌症症狀,然後分析了他們被診斷癌症時嚴重程度與症狀的關係,研究結果刊發在了《柳葉刀·腫瘤學》。
  • 楊利偉回到地球後,為何再也沒有上太空?比你想像得還要兇險
    但其實成為一個太空人需要經歷很多的考驗,首先,身體必須要健康,不僅是健康還要有健壯的體魄。在太空中飛船會進入一種失重的環境,有了健康的身體才能夠完成航程的任務。第二點就是太空人要承擔一定的風險,要有很好的心理素質。萬一飛船發生意外情況,太空人要想盡辦法去解決這些危急情況。同時,太空人可能還要忍受太空上的寒冷,要經歷水和氧氣供應不足的考驗。
  • 它可能擁有3個心臟,就連血液也是藍色的!
    它可能擁有3個心臟,就連血液也是藍色的!科技水平的不斷發展,讓人類的探索領域也在不斷擴張。可以說國家的強大,與科技水平的高低直接掛鈎。人類的生活水平提高後,視野也開闊起來。我們都知道,地球上存在著很多的生物,有的生物擁有智慧,有的則沒有,那麼除了人類以外,地球上還有哪些智慧生物呢?地球上的智慧生物大家並不陌生,那就是章魚。
  • 地球每年流失數十萬噸大氣,逃往外太空,還能堅持多久?
    據科學家們分析,如今的地球上空氣,大部分是後期形成的,也就是說地球上的空氣已經被輪換掉了,那麼早期的空氣都到哪去了,全部逃逸到外太空去了也就是說在時間的加持下,地球上的氣體曾經大部分流失掉,但是為什麼地球上的空氣卻沒有因此而減少,卻還增加了呢?
  • 楊利偉回到地面後,為何再也沒有上天?比你想像得還要兇險
    可是大家奇怪的是,楊利偉回到地面後,為何再也沒有上天?比你想像得還要兇險。首先,每一個太空人都是國家投入大量時間、財力和精力培養出來的,他們對於國家來都十分的金貴,就算從太空回來之後沒有再上天再者,相信大家還記得,當年楊利偉從船艙裡出來之後,嘴角上是有血的,因為當時在降落的過程中由於速度太快楊利偉的嘴角被麥克風劃破,而且太空中的有害物質對人體的傷害也是非常大的,所以為了楊利偉的身體著想,國家就再也沒有要求楊利偉二次上天
  • 假如地球失去氧氣5秒鐘,會發生什麼?可能是我們無法想像的災難
    如果有人問你:人類的生存最離不開的物質是什麼?可能不同的人會有不同的答案。可是比較完美的一個答案就是氧氣。沒錯,人類的生存離不開氧氣,不僅是人類,地球上大部分生物的生存都離不開氧氣,除了極少數的壓氧生物。地球大氣中氧氣的含量是21%,相比於含量達78%的氦氣,氧氣的含量似乎有點少。
  • 美媒:外太空可能比想像中明亮
    參考消息網12月13日報導美國《紐約時報》網站12月8日報導,這可能是黑暗之年即將暗淡結束時最意想不到的消息,但正是一群天文學家所發現的。他們利用「新視野」號探測器(曾探訪冥王星)上的攝像機測量了行星際空間的黑暗程度。
  • 楊利偉從太空回來後,為何再也沒有上去?比你想像得還要兇險
    外太空對於人類來說一直都是神秘的,全世界的人類也沒有放棄過對它的探索。第一個邁向太空的是蘇聯的加加林,他也成為了探索太空的第一人,看到了地球的全貌。美國也緊隨其後送謝泊德進入太空,雖然只有短短的5分鐘,但這又何嘗不是一次成功的冒險呢。中國也不甘示弱在2003年將楊利偉送上了太空,讓他成為了中國第一人。但是楊利偉自從第一次從太空回來後,為啥再也沒有再次登陸太空呢?
  • 太空災難即將發生,地球並沒有你想像的那麼安全
    這是一座30層大樓的高度,你能想像是什麼情景嗎?甚至可能會更高。兩小時後,它就會抵達美國東海岸。整個城市都會被衝走,並被強大的海水完全摧毀。8小時後,10 至 15米高的海浪會襲擊整個歐洲海岸,愛爾蘭的海浪最高甚至可達20米。
  • 為什麼頭骨有這麼多骨頭?比你想像的要多得多
    這種脫節鱷魚的頭骨有50多塊頭骨。你的頭骨裡有幾塊骨頭?你可能會猜測動物的頭骨是由兩塊骨頭組成的:頭骨上部和下頜。但是頭骨實際上比你想像的要複雜得多,而且有更多的骨頭。有些動物在年輕和成長的時候頭骨裡有更多的骨頭,儘管這些骨頭後來融合在一起。然而,有些動物成年後仍保留著幾十塊頭骨。
  • 人在外太空,不穿太空衣的情況下,可以存活多久呢?
    現在的時代不斷的在進步,隨著二十世紀已經是成為了過去,現在來到了一個新的時代,我們人類的文明是在不斷的進步的,現在已經到了一個新的發展階段,人類從以前非常嚮往外太空到現在可以徵服外太空了,這一個過程也是持續了很多年的,但是對於外太空我們還需要去多多的了解他,探索發現它,相對於外太空繁多的星辰星系而言,我們人類不過是居住在其中小小一沙粒;不過現在我們也已經是開始探索外太空了
  • 人在外太空,不穿太空衣的情況下,可以存活多久呢?
    現在的時代不斷的在進步,隨著二十世紀已經是成為了過去,現在來到了一個新的時代,我們人類的文明是在不斷的進步的,現在已經到了一個新的發展階段,人類從以前非常嚮往外太空到現在可以徵服外太空了,這一個過程也是持續了很多年的,但是對於外太空我們還需要去多多的了解他,探索發現它,相對於外太空繁多的星辰星系而言,我們人類不過是居住在其中小小一沙粒
  • 這些動物,比你想像中的還要大的多
    話說,這個星球上有很多動物,有時候儘管我們知道它很大,但是由於缺乏參照物的對比,對於其真實大小尺寸,還是很難有一個清晰的概念的!近日,boredpanda網站總結了一組主題為「「那些出乎意料比想像中大的動物」,看完讓人虎軀一震!一起來感受下:北美野牛,體重可以達到1噸!儘管體型龐大,仍可維持每小時60公裡的奔跑速度!
  • 南瓜的力量——你比自己想像的強大得多
    你是否也正面對一個以前從未遇到的困難呢?這個困難是否看起來相當的艱巨?能夠被你克服嗎?現在你唯一需要做的,就是完全地相信你自己!你擁有比你自己想像中大得多的潛能!就像小南瓜一樣將綁住你的鋼圈掙脫。沒有什麼困難能夠阻擋你!