地球上的重金属都来自哪里？需要穿越到百亿年前！ 宇宙探索观 2024-01-26 11:55辽宁优质科学领域创作者 关注 恒星、超新星和中子星碰撞是宇宙中重元素的来源。宇宙大爆炸后，恒星通过核聚变制造出重元素，超新星爆发和中子星碰撞进一步产生重金属。这些元素最终成为行星和生命的原材料。 摘要由作者通过智能技术生成 有用 地球上拥有近100种天然元素，而所有这些元素在地球诞生之初，也就是大约46亿年前就存在了。正是如此丰富多彩的元素，才让地球拥有丰富的地形地貌和多彩的生命世界，才能孕育出人类这种高级智慧物种。 重金属在我们日常生活中是很常见的，即便是我们人体内，也含有重金属，比如说铁、锌、铜、锰、钴、硒等重金属。这些重金属元素在人体内参与多种酶的活动，调节代谢过程，维持身体的正常功能，因此适量补充这些元素对于维持健康是非常重要的。 那么，你没有想过，这些重元素到底来自哪里？最初是如何形成的？为什么越重的元素含量就会越少呢？比如说金银和铂等重金属含量都很少。 想要知道这些问题的答案，我们需要一些穿越到百亿年前，一直到宇宙诞生之初。 主流科学理论认为，我们的宇宙起源于138亿年前的大爆炸，也就是宇宙大爆炸理论，我们如今看到的一切都是宇宙大爆炸的产生。而在宇宙138亿年的漫长演化史上，最初的三分钟是极其重要的。 科学家们表示，宇宙大爆炸最初的三分钟发生的事件总和，远远超过之后138亿年的事件总和！很难想象，最初的三分钟经历了怎样复杂的演化进程，而正是最初的三分钟奠定了之后长达138亿年宇宙演化史的基础。 宇宙在诞生之初，形成的元素其实是非常有限的，只有氢和氦两种最轻的元素，其中大部分都是氢。而在之后的漫长岁月里，宇宙就像一个“超级大熔炉”一样，不断“锻造”出更重的元素，开启了极其漫长的“创世之旅”。氢和氦等元素通过相互碰撞，发生融合形成更重的元素，那么具体的进程是怎么样的呢？ 两个字：恒星！ 我们得感谢恒星，因为它就是冶炼元素的“大熔炉”。 宇宙中只有氢和氦两种元素的状态持续了相当长的时间，大约一亿年！之后随着宇宙温度不断下降，氢和氦开始发生融合，融合的动力就在于引力，准确来讲是“不平衡的引力”。 我们都知道，引力无处不在，但如果宇宙间的引力是平衡的，宇宙诞生之初的氢和氦等元素就不会在引力作用下聚集在一起，而是会彼此保持平衡。 但是，绝对平衡的完美宇宙是不存在的，由于宇宙中存在温度密度的差异，就会造成宇宙某个区域的引力稍大，于是在引力的作用下，就会吸引更多的物质（气体云）不断聚集过来。 聚集而来的气体云带来了更多的质量，也意味着更大的引力，然后又会吸引更多的气体云。就这样这个过程不断反复，就像滚雪球一样，越来越多的气体云不断聚集在一起，聚集的速度越来越快，质量和引力会不断变大。 气体云的核心温度和压强会越来越高，到了某个临界点，就会引发宇宙中极其重要的一个大事件：核聚变。也宣告恒星的诞生。 而核聚变就是氢元素聚变成重元素的过程。拿我们的太阳来讲，太阳的核心温度高达1500万度，压强达到地球大气压的2500亿倍，在如此高温高压下，氢会聚变成氦，然后是碳，氧等更重的元素。 质量更大的恒星，能聚变出更重的元素。但是恒星的核聚变并不能一直持续下去，一旦聚变到铁元素，恒星核聚变就戛然而止了，或者说恒星就死亡了。为什么这么说？ 简单说，因为铁是最稳定的元素，铁元素的比结合能最高。 何为比结合能？先了解一下“结合能”的概念。我们都知道原子核是由质子和中子等核子构成的，质子和中子之间通过强核力结合在一起，通过强核力结合在一起的能量就是“结合能”。如果想把核子分开，需要强大的能量来对抗核子之间的“结合能”。 说白了，就是核能。 而比结合能就是结合能与核子数量的比值，就相当于GDP与人均GDP之间的关系。比结合能越大，代表元素越稳定。而铁元素的比结合能是最大的，所以也最稳定。 比铁更轻的元素在聚变的过程中，都会释放出能量。而比铁更重的元素想要发生聚变，不但不会释放能量，反而需要吸收能量。 而我们都知道，恒星之所以能保持长达数十亿年的稳定，就是因为核聚变过程中释放的能量与自身产生的万有引力达到平衡。如果聚变的过程不再释放能量，就没有力量与万有引力保持平衡，结果就是万有引力彻底失控，恒星开始在引力作用下急剧向内坍缩，实际上也宣告了恒星的死亡。 但并不是所有恒星都可以聚变到铁元素的，比如说我们的太阳，由于质量不够大，由于核心压力和温度不够，并不足以聚变出铁元素。不过科学家在对太阳光谱进行分析时，发现太阳含有比铁更重要的元素，这到底是怎么回事呢？ 唯一的解释就是：这些比铁更重的元素一开始就存在了，并不是通过太阳的核聚变产生的。那么一开始就存在的重元素到底来自哪里呢？ 接着恒星的死亡来讲。恒星的死亡，并不意味着元素聚变的结束，虽然比铁更重的元素发生聚变时需要吸收能量，但如果真的有足够多的能量，比铁更重的元素也是可以继续聚变下去的。 而恒星死亡之后，在引力的作用下会急剧向内坍缩，尤其是大质量恒星，坍缩的过程更加剧烈。庞大的恒星物质在向内坍缩的过程中不断撞击死亡恒星的内核，给内核带去了巨大的能量，温度和压强急剧攀升，足以引发新一轮的聚变，比铁更重的元素会继续聚变下去。 这其实就是超新星爆发，是大质量恒星的专利。超新星爆发过程中会在短短几秒时间里释放出超级能量，以高能粒子的方式喷射出来，影响范围非常广。最终只会留下致密的内核，也就是中子星甚至黑洞，而内核外的物质则被抛洒到浩瀚星际空间，成为下一代恒星和行星的原材料，主要以轻元素为主。 而我们的太阳就是通过不断聚集这些原材料形成的恒星，这也是为什么科学家们会在太阳上发现少量比铁更重的元素，因为太阳并不是第一代恒星，而是第二代或第三代恒星（科学家们并不确定，但肯定不是第一代），上面的重元素只是继承了第一代恒星的物质而已。 科学家们一度认为比铁更重要的元素就是通过超新星爆发产生的，不过之后发现理论上可能行不通，这并不是说超新星爆发不能产生重元素，而是说不能产生足够的重元素。 因为比铁更重的元素主要通过俘虏中子，发生贝塔衰变产生的，理论上超新星爆发确实可能在短时间里制造大量重元素，但由于缺乏足够的中子，实际上是很难行得通的。 而天文学家在观察另一个宇宙大事件时，发现了重元素的另一种来源方式：中子星碰撞。中子星是大质量恒星死亡后的致密内核，密度非常高。而且还有一个特点，中子星通常都会以双星系统出现，也就是说两颗中子星围绕着彼此运行。在运行的过程中，难免会因为各种未知因素发生碰撞，碰撞瞬间会释放出超级能量还有大量中子，足以在极短时间里制造出大量的重金属，比如说金银， 铂等。 总结 地球上所有生命都是碳基生命，而大自然花费了长达一亿年的时间才制造出了碳元素，之后又经历漫长演化，通过恒星核聚变，超新星爆发和中子星碰撞，制造出比铁更重的元素。 某种意义上讲，你我包括我们每天所见的宇宙万物，其实都是“核废料”，因为几乎所有的元素都是来自死亡的恒星，准确来讲来自死亡恒星的“灰烬”，而中子星则是大质量恒星死亡之后的“坟墓”。 再次回想恒星的整个演化史，只能用“悲壮”两字形容，但悲壮中丝毫不缺乏新生的力量。恒星的每次死亡，都意味着另一种新生，年轻恒星的浴火重生。埋藏在宇宙每个角落里的金银等重元素，似乎都在诉说着数十亿年前上演无数次的宇宙大事件。 而我们每一个人，其实都是宇宙漫长演化史的见证者，因为我们身体内的每一种元素都来自数十亿甚至上百亿年前的恒星！
写的真好，但个人觉得用“核废料”来形容地球生命及宇宙万物有些欠妥，不如叫“核原料”如何，因为碳基生命包括宇宙万物消亡后应该还是会参与到下一代恒星的演变当中，如此循环往复吧。