有一个老笑话这么说,天体物理学的元素周期表由三种东西组成:氢、氦和金属。原因是氢和氦构成了宇宙大约98%的原子。元素周期表中从3号元素锂开始一直往下,这些所有元素只占2%的原子。在宇宙层面而言,这些“金属”只是这个富含氢氦的宇宙中的微量元素。
氢和氦之所以占主导地位,是因为在宇宙大爆炸约三分钟之后开始的核合成时期。这个时期持续了约17分钟,在此期间,宇宙中的所有原始原子就此产生。大约92%的这些原子(数量)是氢,还有约8%的氦。诸如氧和铁等其他元素并不是在这一时期形成,它们都是在后来的早期恒星的核心之中形成,正因如此,卡尔·萨根(Carl Sagan)提出了这样的著名论断:我们都是星尘。
元素周期表
在核合成时期,也产生了极少量的锂——大约每十亿个氢或氦原子中有一个锂原子。实际上,我们可以利用这一点来了解恒星。例如,太阳大气层中的每1000亿个原子中只有1锂原子,这只有理论数量的1%左右。那么,到底发生了什么?失踪的锂去哪里了?
这个答案与恒星产生新原子的方式有关。在恒星的核心,氢原子是融合形成氦原子,并释放出能量。原子的原子核(由质子和中子构成)通过核力束缚在一起,克服这种作用力所需的能量就被称之为结合能(或可以描述为把质子和中子结合成原子核所释放出的能量)。由于氦的结合能高于氢,所以氢通过核聚变产生氦会释放出能量。这也适用于其他元素:氦到碳、氮和氧、直至铁。铁结合能最高,所以融合铁之上的元素实际上是会吸收能量。
在下图中,我们作出了不同元素的结合能示意图。可以看到,结合能在铁的位置达到极大值。还可以看到,曲线上存在结合能下降的区域,而锂就在其中。这意味着,尽管许多原子在融合时可以释放出能量,但锂却会造成能量损失。结果,产生诸如氧和铁等较重原子的过程也会减少锂的数量。基本上,一些锂在产生重元素的过程中被消耗掉了。
元素的结合能关系图
由于太阳大气中的锂含量比预期少,所以太阳肯定是在曾经是一颗恒星核心的材料中形成。这意味着我们的太阳并不是宇宙中的第一批恒星,而是形成于早期恒星的残骸之中。鉴于缺失的锂和其他证据,我们的太阳似乎是第三代恒星。这意味着意味着我们的太阳是宇宙第一批恒星的孙子。在太阳形成之前,已存在有两代恒星。
不只是我们,就连我们的太阳都是星尘。
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