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NASA科学家:人类只是宇宙核聚变的废料

2019-05-23 10:45图文来源:南报网

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出版方供图

南报网讯 毫无疑问,我们已进入一个大科技时代,科技正发挥着越来越重要的作用。2019年更是一个宇宙探索的大年,中国不仅首次成功登陆月球背面,还要建造自己的空间站,美国制定了重返月球的计划,欧洲还要从月球上挖矿。2019年4月,包括中国等世界各国科学家和机构通力合作,获得了首张黑洞照片。

人类探索宇宙,不仅带来了航空航天、通讯、卫星、遥感、气象等切实利益,还回答了人类的根本问题:我们从何处来,将往何处去?人类一直在思考,自己究竟从何处而来?关于生命起源的终极答案,宇宙也能给我们线索。

地球上的生命与恒星的存亡其实有着密切的关系。我们维持生命所需的所有元素——我们呼吸的氧气,我们骨骼中的钙,我们血液中的铁——都是在消逝已久的前几代恒星的熔炉中锻造出来的。

专事于科普工作的NASA科学家金伯利·K.阿坎德在她的新作《NASA自然百科:认识宇宙》中,对地球生命与恒星的关系给予了非常通俗易懂的全面解释。要了解生命,先从恒星开始,因为恒星消亡时才产生了地球上的生命元素。

宇宙被认为是在 137 亿年前的那场大爆炸中开始的。从那之后,它迅速膨胀为一个由氢和氦原子组成的超高温的“海洋”。经过一段我们目前尚一无所知的“黑暗时代”,几亿年后,当宇宙冷却到某种程度,就具备了第一批恒星和星系的形成条件。

在宇宙中,当巨大的气体和尘埃云团坍塌时,其中央形成一个热物质内核,恒星由此诞生,就像我们熟知的太阳,这个诞生过程相当漫长。没有进入恒星核心的其他材料可能会变成行星、小行星和其他碎屑。我们的地球就是一颗行星。

当这个为期数百万年的诞生过程结束时,恒星就开始通过一种名为核聚变的过程燃烧,或者说发光。原子的核心被称为原子核。核聚变是两个原子的核心相聚或融合的过程。发生核聚变时,两个原子核变成一个更重的原子核。与此同时,大量的能量会被释放出来。

正是这个原子核碰撞并释放能量的过程,为恒星提供了能量。当我们说一颗恒星在“燃烧”,指的就是这件事。在恒星整个生命的大部分时间里,这种燃烧过程涉及氢——宇宙中最轻也是最丰富的元素——聚变成氦的过程。我们的太阳现在就处于这个阶段。

它当一颗恒星缺少用来在核心进行核聚变的氢时(我们的太阳在大约50亿年内都不会出现这种情况),事情就变得更有意思了。随着核心的氢燃烧殆尽,那里不再产生能量。这会导致核心的缓慢坍塌和升温。

然而,核聚变的过程依然在持续,只是转移到了仍然还有氢的部位。这意味着核聚变开始在核心之外富含氢的气体层中发生,且在这个过程中为恒星提供能量。这时恒星进入天文学家所说的“红巨星”阶段。

当这一层的氢耗尽之后,红巨星中的核聚变过程开始将新创造出的更重的氦原子加入进来。随着核聚变过程沿着元素周期表不断前进,这些发生融合的氦原子变成了更重的元素,直到产生碳。

如果恒星的大小不足以产生融化碳的高温,恒星就会卡在这里。原子无法被聚变成新的原子,碳和氧开始在核心形成和聚集。随着恒星的核心吸引越来越多的物质,它开始升温。这会导致恒星的外层向外膨胀。

红巨星阶段并不总是一个平静和连续的过程。相反,随着核心中的核聚变开始像耗尽汽油的汽车一样喷溅,这颗恒星就会开始不均匀地向外喷射物质。这一阶段的恒星图像被称为“行星状星云”。

当太阳进入这个阶段时——距离现在还有几十亿年,所以不要担心它会膨胀。这里所讲的膨胀不是膨胀一点,而是膨胀得非常厉害。实际上,天文学家推测当这件事发生时,太阳会向外膨胀得非常厉害,以至于吞没太阳系的内行星:水星、金星,甚至地球。

然后,我们的太阳和它的同类恒星将继续以红巨星的状态存在,直到再也没有任何可以释放的外层物质。留下来的将是一个密度很大的小型内核,天文学家称之为白矮星。由于没有可以用于燃烧的燃料,白矮星只能漂浮在太空中,散发着剩余的热量。这个过程会持续几十亿年,然后在某个时刻,这颗恒星最终会从一块滚烫的余烬变得冰冷黑暗。

对于像我们的太阳一样或者更小的恒星,变成白矮星的缓慢过程是它们渐进而平静的命运,但是对于那些更大的恒星呢?简而言之,它们不会安静地走向死亡。那是因为它们的核聚变并没有因碳核聚变而停止,它们会继续这个过程,制造出越来越重的元素,直到铁元素被制造出来。

当这颗恒星开始将铁聚变在一起,它就遇到了大麻烦。这是因为当两个铁原子结合时,它们实际上吸收了能量,而不是像其他原子那样释放能量。这会引发失控的连锁反应,导致恒星冷却,压力陡然下降。这最终将导致整颗恒星的戏剧性坍塌。

当这颗恒星坍塌到核心上时,它会反弹,将恒星的外层物质全部抛射到太空中去。天文学家将这种爆发称为超新星爆发。超新星爆发释放出的能量如此之大,以至于它们的光芒可以盖过整个星系。考虑到一个星系含有数十亿颗恒星,这就让人觉得更了不起了。

当这些大质量恒星经历超新星爆发时,仍然会留下恒星曾经的核心。然而,这个核心的密度现在更大了,因为核心的坍塌一直在继续,直到所有电子和中子都被挤在一起,就像一群人正急于穿过出口却无处可去一样。这个被压缩的天体被科学家称为中子星,它的密度是如此之大,一汤匙中子星的重量就超过10亿吨。

每当一颗恒星将它聚变出的元素释放到太空中去时,无论是以红巨星缓慢吹拂的方式还是超新星猛烈爆发的方式,它实际上都是在用这些重要元素丰富下一代的恒星和行星。地球上所有这些生命元素,其实都来自宇宙。当初,它们被太阳诞生时的云团卷入了我们这颗正在发育中的地球行星。从这个角度来看,人类只不过是宇宙核聚变的废料。相信随着人类对宇宙的不断探索,将会揭示出越来越多关于生命的更多奥秘。

责任编辑:刘阳
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