恒星誕生于“宇宙黑暗時(shí)代”,從它誕生那一刻起就開(kāi)始制造一種新的元素——氦,而宇宙中的其它元素,就要通過(guò)恒星的死亡來(lái)創(chuàng)造。
恒星的壽命取決它自身質(zhì)量的大小,質(zhì)量更大的恒星其熱核聚變反應(yīng)就越劇烈,壽命就會(huì)越短,其可以生產(chǎn)出來(lái)的元素就更多,更重。科學(xué)界根據(jù)恒星的質(zhì)量和熱量的不同,把恒星分為了O B A F G K M七個(gè)等級(jí),而每個(gè)等級(jí)又細(xì)分為0-9, 其中O最熱最大(0-9里,0是最熱最大),那么總體來(lái)說(shuō)O0,就是最熱最大的,我們的太陽(yáng)是G2(表面溫度是 5800 K,就是5526.85 攝氏度)。
所有類(lèi)型的恒星,從超大質(zhì)量的O級(jí)恒星到無(wú)數(shù)微小的M級(jí)恒星,一生都是以燃燒氫,即氫的熱核聚變?yōu)橹?。?dāng)其核心的氫燃燒殆盡時(shí),到了晚年都會(huì)膨脹成一個(gè)紅巨星或者是紅超巨星,在氦核周?chē)耐鈱又欣^續(xù)燃燒氫,使氦核堆積的越來(lái)越大。當(dāng)氦核內(nèi)的溫度、壓力和密度變得足夠高時(shí),氦原子開(kāi)始聚變,每三個(gè)氦原子就會(huì)變成一個(gè)碳原子。
由于氦比氫更穩(wěn)定,在氦發(fā)生聚變反應(yīng)生成碳的時(shí)候會(huì)釋放出更多的能量,此時(shí)如果恒星質(zhì)量不夠大,級(jí)別不夠高的話,如K級(jí)恒星,核心氦燃料耗盡時(shí),核心會(huì)把外層“吹成”行星狀星云,而這時(shí)核心會(huì)隨著時(shí)間的推移慢慢收縮,產(chǎn)生一顆白矮星,其質(zhì)量與太陽(yáng)相當(dāng),但物理尺寸與地球相當(dāng)。
而質(zhì)量更大的恒星會(huì)繼續(xù)將較重的碳聚變成氧氣和氖等物質(zhì),最內(nèi)層的原子會(huì)融合成越來(lái)越重的元素。但是,即便一顆明亮、巨大、藍(lán)色的A星,也只能將原子熔合到硅和硫。其實(shí)包括B星在內(nèi)的絕大多數(shù)恒星的命運(yùn)仍然是“吹走”外層的氫,形成行星狀星云,在中心留下一顆地球大小的白矮星。
宇宙每制造800顆恒星中,大約就有一顆恒星的質(zhì)量足以將元素繼續(xù)熔合成更重的元素:鐵、鎳和鈷,這是恒星融合元素的極限。因?yàn)樵阼F元素之前恒星一直在把較輕的元素熔合成較重的元素,每一步都在釋放能量。但是現(xiàn)在,核心的鐵原子承受著巨大的壓力,它們已經(jīng)無(wú)法釋放出更多的能量了。聚變需要的能量比它們?nèi)诤虾筢尫诺哪芰恳嗟枚啵院诵闹荒芡V咕圩儭?/span>
對(duì)于質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)8倍的恒星來(lái)說(shuō),鐵核的質(zhì)量有一個(gè)極限,這個(gè)極限大約是太陽(yáng)質(zhì)量的1.38倍,當(dāng)達(dá)到或超過(guò)這個(gè)極限時(shí),核心的鐵原子就會(huì)坍縮、瞬間被摧毀,同時(shí)釋放出驚人的能量,形成超新星爆發(fā),核心會(huì)一路坍縮成中子星(相當(dāng)于太陽(yáng)的質(zhì)量,但大小相當(dāng)于一顆中等大小的小行星)或黑洞。
超新星的爆發(fā),不僅將恒星一生的產(chǎn)物拋回到星際介質(zhì)中,還將產(chǎn)生元素周期表中所有已知的元素。不僅能制造出地球目前自然存在的鈾元素,還能制造钚、銫以及質(zhì)量更高、壽命更短的元素。
超新星爆發(fā)還有另外一種途徑:那些燃燒完燃料并收縮成白矮星的恒星核,可以從伴星上吸積物質(zhì),也可以與另一顆白矮星發(fā)生合并,一旦壓縮白矮星原子的總質(zhì)量超過(guò)原子本身所能承受的極限,這顆死亡恒星的核心就會(huì)開(kāi)始坍縮。不過(guò),白矮星的核心中可不是鐵,它們主要是碳。只要不到一秒鐘,壓縮的高溫就會(huì)重新點(diǎn)燃碳聚變,并發(fā)生失控的聚變反應(yīng),然后摧毀整個(gè)白矮星。
以上就是超新星爆發(fā)的過(guò)程和機(jī)理,也是恒星死亡的過(guò)程,也是宇宙中所有非氫和氦元素如何形成的過(guò)程。所有比鐵重的元素都必須來(lái)自超新星的爆發(fā)。我們目前已知的所有的物質(zhì),都是由恒星制造出來(lái)的這些元素,再經(jīng)過(guò)各種化合、混合而呈現(xiàn)出來(lái)的形態(tài)。
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