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深度长文:地球上的重金属都来自哪里?需要穿越到百亿年前!

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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!

完!

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