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敲黑板划重点!你从哪来?我们的身体来自"星辰"

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宇宙中像碳、氧和铝这样的轻质元素是到处都有的,但是金银等重金属产生需要相继经历超新星爆炸和一对中子星合并才能形成少量,所以钻石、各种宝石从这个角度来看是远远没有贵重金属值钱的,这就是为什么各国都把黄金作为战略储备,而不是被市场虚高炒作的钻石。

栏目|网易科学人

来源|科学猫科普

我们的身体是由星尘构成的。我们身体中的每一个原子都在时空中旅行了亿万年,最终走到一起给了我们生命。周期表大家都熟悉,然而上面却没有每个元素的起源的信息,所以它是不完整的。俄亥俄州立大学的天文学家珍妮弗·约翰逊(Jennifer A.Johnson)最近重新绘制了周期表,以显示宇宙中的每一个元素是如何形成的。下图就是珍妮弗用不同颜色标记的“时空元素周期表”:

敲黑板划重点!你从哪来?我们的身体来自星辰

在一开始,空间和时间都是在大爆炸中创造出来的,发生在137亿年前。之后,宇宙开始膨胀变热,充满了基础粒子。宇宙在膨胀期间迅速扩张,现在以一个差不多恒定的速度扩张。随着它的增长,宇宙开始冷却。能量逐渐被进一步禁锢起来,成为我们常说的“质量”,也就是各种原子、分子等等(当没有质量、感知不到时间的能量被禁锢在很小一个范围的时候,就能产生时间和质量)。元素周期表开始形成了。

蓝色:大爆炸聚变

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大爆炸聚变,也称为大爆炸核子合成,是指在宇宙的早期阶段,较轻元素原子核的产生。原子核合成被大多数宇宙学家认为在大爆炸后大约10秒到20分钟的时间间隔内发生,并且被计算制造了大部分作为同位素氦-4(4He)宇宙中氦的存在,以及少量的氢同位素氘(2H或D),氦同位素氦-3(3He)和非常少量的锂同位素锂-7(7Li)。除了这些稳定的核外,还产生了两种不稳定或放射性同位素:重氢同位素氚(3H或T);和铍同位素铍-7(7Be);但是如上所述,这些不稳定的同位素后来衰变为3He和7Li。

粉色:宇宙射线散裂

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宇宙射线融合也称为宇宙射线散裂,是引起核合成的天然存在的核反应。它是指宇宙射线对物体的撞击形成化学元素。宇宙射线是从地球以外的高能带电粒子,例如质子,α粒子和许多较重元素的核。约1%的宇宙射线也由自由电子组成。当射线粒子(例如质子)与物质(包括其它宇宙射线)相撞时,宇宙射线会引起散裂现象。碰撞的结果是大量的核子(质子和中子)从物体中被排出。这个过程不仅在太空深处,而且还因地球的上层大气层和地壳表面(通常在十米以上),这是由于宇宙射线的持续影响。宇宙射线引起的聚变反应可以产生锂元素、铍元素和硼元素。

绿色:巨型恒星爆炸

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每50年,我们银河系就有一颗恒星爆炸,这个现象成为超新星。超新星是宇宙中最为暴力的事件之一,在爆炸的过程中产生大量耀眼的辐射和冲击波。那么恒星为什么会爆炸呢?原来,恒星质量巨大,要克服自身引力引起的塌缩,需要不断通过核聚变反应提供能量,一旦比较轻的元素全部都被核聚变反应消耗掉,恒星就不能平衡引力而变得不稳定,最终通过爆炸把大部分产生的质量释放到空间中去。超新星能够制造、聚变以及弹射出大部分制造出的化学元素。对于巨型恒星(几十倍、上百倍太阳的质量),其爆炸后主要弹射出元素周期表第二到第四列的轻核金属和非金属。弹射后的剩余物主要是中子星或者黑洞。

浅蓝色:爆炸的白矮星

敲黑板划重点!你从哪来?我们的身体来自星辰

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(图:超新星示意图)

质量小于太阳8倍的恒星的核一般不会塌缩成中子星或者黑洞,而是会失去表面的大气变成白矮星,构成白矮星的主要元素是碳元素和氧元素。如果白矮星的质量过大(超过1.4个太阳)就可能会爆炸,这是通常会弹射出第二列的非金属元素和第三列的金属元素。质量在9-12个太阳的恒星演化就比较有趣,它们会呈现出像洋葱一样的一层一层的元素分布,越是容易发生聚变的轻元越素是在外层,如下图所示。

敲黑板划重点!你从哪来?我们的身体来自星辰

黄色:濒临死亡的低质量恒星

橘黄色:合并的中子星

敲黑板划重点!你从哪来?我们的身体来自星辰

在这两类中,重金属元素就产生了。不过让我们先来了解一下中子星。刚刚说了,中子星是质量超大的恒星(10-29倍太阳质量)爆炸之后留下的残骸,除了表面之外几乎由纯中子构成(巨大的引力导致电子跌入原子核,把质子转化为中子),且是宇宙中已知密度最大的恒星。尽管中子星通常的半径尺寸只有10千米,和一个小行星差不多,但是它们的质量通常是太阳的两倍。我们都知道,中子是费米子,所以要遵循保里不相容原理,这也是阻止中子星进一步塌缩为黑洞的因素(虽然黑洞的形成研究很多,而且理论也比较完备,但是张老师认为中子可能在巨大的引力作用下首先形成某种自旋为整数的波色子,比如“黑洞子”)。当两个中子星互相缠绕运动,逐渐合并的时候,不仅会产生巨大的引力波,还能不断向外抛射各种物质,经过衰变之后就成为我们熟知的重金属,包括黄金、白金和钯金等。

由此可以看出,宇宙中像碳、氧和铝这样的轻质元素是到处都有的,但是金银等重金属产生需要相继经历超新星爆炸和一对中子星合并才能形成少量,所以钻石、各种宝石从这个角度来看是远远没有贵重金属值钱的,这就是为什么各国都把黄金作为战略储备,而不是被市场虚高炒作的钻石。

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