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宇宙中比铁中的元素是怎样形成的?

2019-10-09来源:李二秃谈游戏

金,原子序数79,银,原子序数47,作为地球上最受欢迎的贵金属,常用于货币、珠宝、艺术品。但是,这些金属并不是地球原有的,而是宇宙中某些现象的产物。


元素周期表


事实上,地球上的所有元素都是来自于宇宙。宇宙诞生后不久有了质子和中子,然后它们自发地变成了氢、氦和锂,但也就到此为止。恒星的诞生令这头三个元素可以进一步聚变形成更重的元素并放出能量,(恒星内部元素的形成,挖个坑,以后填)但是这个聚变到了铁就停止了。铁是最稳定的元素,元素周期表中位于铁之后的元素,譬如我们都想要的银、铂和金,由于其结合能比铁低,而库仑势垒较高,这些核素通过恒星内部反应形成所需的时间都远远长于恒星本身的寿命(大于几十亿年),故不可能通过核聚变的反应形成,只能通过没有库仑势垒阻碍的子俘获反应形成,即先捕获中子形成放射性的同位素,然后衰变成新的元素。这种反应需要在极端环境下投入巨大能量才能实现。

这种理论最开始由福勒(William Fowler)、伯比奇夫妇(Margaret Burbidge和Geoffrey Burbidge)以及霍伊尔(Fred Hoyle)于1957年合著、发表在《现代物理评论》(Review of Modern Physics)期刊上的著名文章《Synthesis of the Elements in Stars》中提出,也称为B2FH理论。在这篇文章中,他们把中子俘获反应分为慢中子俘获过程s-process、快中子俘获过程r-process和光致蜕变质子增丰p-process,并讨论了这些过程可能发生的天文环境。这篇文章标志着核天体物理的诞生,在天文学上有极其重要的地位,福勒也因此工作在1983年获得了诺贝尔物理学奖。


诺奖得主福勒


慢中子俘获过程

宇宙中比铁重的元素几乎有一半是由S过程创造的。当中子的数密度很低时,大约10^5个中子/cm^3,一般参加反应的放射性核素相邻两次中子俘获的时间间隔将比其做电子衰变反应的半衰期长得多。当某种稳定核素俘获一个中子后,如果形成的这个同位素是稳定的(或半衰期很长),它将等待发生下一次中子俘获,如果形成的是一个衰变寿命很短的放射性同位素,它将通过电子衰变反应成为位于元素周期表中下一位的稳定核素,并等待发生下一次中子俘获反应。慢中子俘获过程最初的种子核素为Fe,其反应通道一直可以延续到放射性同位素210Po。

目前普遍认为该过程最有可能发生发生在渐近巨星分支(AGB)演化阶段的中小质量恒星氦燃烧层中。根据恒星演化的理论,小于8个太阳质量的恒星演化到后期会膨胀变大,变成一颗红巨星,再往右演化就变成了AGB星,至于具体的啥是AGB,挖个坑,下次再说。


赫罗图展示了恒星分类及演化,红巨星位于右上方


快中子俘获过程

R过程创造了另一半比铁重的元素。快意味着参加反应的放射性核素相邻两次中子俘获的时间间隔将比其做电子衰变反应的半衰期短得多,这只在温度极其高、中子数密度达到10^23个/cm^3的环境才有可能发生。与S过程不同的是,目前对R过程可能发生的环境还没有明确的结论,目前主要的理论场所有两个。

第一个场所是由星核坍缩而导致的II型超新星爆发(超新星的形成和种类,以后再说...)。大质量恒星演化的最后阶段,内部的铁核会迅速塌缩,导致温度和密度急速上升,并产生大量的中微子,这些中微子会与铁元素反应形成新的元素,最终随着铁核的爆炸喷向宇宙中。


大质量恒星演化到后期的洋葱结构,中心是一个致密的铁核


第二种可能是双中子星并合(中子星是啥,怎么来的,以后再说...)。在并合的过程中R过程产生的大量物质会被抛射出去。这个理论最早由我国天文学家李立新和其合作者在1998年提出,也称为”千新星“kilonova。但是科学家一直没有观测到这种现象,直到LIGO和Virgo在2017年探测到了双中子星并合产生的引力波GW170817,才证实了这种现象的存在。根据估算,这样一个事件产生的黄金有300个地球这么重。


双中子星并合想象图


P过程

一些富含质子(proton)的原子核并不能被S过程和P过程创造,福勒等人认为还存在一种特殊的过程能创造这些原子核,并简单地命名为P过程。需要注意的是,这并不是质子俘获过程,而是光致蜕变机制而发生的。光致蜕变是指高能光子将原子核中的质子或中子敲出,而形成新的元素。目前对这个过程的研究还有很多问题,主要认为是在超新星爆炸层中存在这样的反应。

此外还有快速质子俘获过程、中微子过程等等,这里就不讲了。但是,目前对这几种过程的机制还不是很了解,在地球上无法达到如此极端的条件来进行相关的实验,无法测定具体的反应速率等。此外,目前的一些观测结果表明传统的理论可能并不正确,比如在一些极小质量恒星上观测到一些重元素,而根据理论这种极小质量恒星无法进行这几个过程。


挖的坑太多,害怕填不完= =。

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