宇宙的元素如何形成？

By Paul Sutter

2023/10/26

   Science & Astronomy

    元素的旅程始于大爆炸的最早时刻，当时我们的宇宙仅几秒钟到几分钟老。

一个大爆炸的模型显示产生了宇宙的剩下部分的大爆炸。 (Image credit: Getty images)

    我们都知道宇宙包含大量阵列的元素，范围从轻气体如氦到重金属如铅。但所有的元素都从哪里来的呢？

    元素的旅程始于大爆炸的最早时刻，当时我们的宇宙仅几秒钟到几分钟老。当时，整个宇宙都被挤进一个比它今天是的更小数百万倍的体积中。由于令人难以置信的高密度，宇宙中所有物质的平均温度远高过十亿度，这对核反应来发生是更热。事实上，它是如此热，以至于甚至质子和中子作为稳定的实体不能存在。相反，宇宙只是一片更基本的叫夸克和胶子粒子的海洋，在一个原始等离子体状态中沸腾。

    但宇宙不会长期呆在这种状态。它正在膨胀，这意味着它也正在冷却。最终，夸克能够一起结合不会立即被摧毁来形成第一个质子和中子。质子从来比中子更轻一点，这赋予它们在这个粒子生产的初始相一个优势。一旦宇宙仅几分钟老，对来创造新的质子和中子它太冷。因此，这些第一批重粒子是宇宙从来要制造的唯一的重粒子（在未来罕见的高能相互作用之外）。

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    到重粒子最终冻结出来时，对每个中子大约有六个质子。中子本身是不稳定的，它们用一个约为880秒的半衰期衰变。立即，一些中子开始来衰变掉，而其余的中子开始与质子结合形成第一个原子核。在所有轻元素中，由两个质子和两个中子组成的氦-4有最大的结合能，这意味着它最容易来形成和最难来分解。因此，几乎所有的氦都成生产氦-4。

    从这样的计算中，宇宙学家能预测宇宙用一个大约75%的氢（这只是一个裸质子）、25%的氦和少量的散射锂始出------这正是天文学家观测的。

恒星核合成

    在元素的出现中下一个阶段必须来等待第一代恒星，直到大爆炸后数亿年为止恒星没有开始照耀。恒星通过核聚变为它们自己提供动力，将氢转化为氦。这个过程留下一点点能量。但恒星有如此多的氢可利用以致它们能燃烧数十亿年或有时数万亿年。

    在接近它们生命的尽头，像太阳这样的恒星转向聚变氦，在它们作为行星状星云死亡之前将它变成碳和氧。这就是为什么宇宙中碳和氧是如此丰富的，在氢和氦之后，它们是最常见被产生的元素。事实上，氧是地球上最常见的元素，尽管它的大部分与硅酸盐结合来形成你脚下的地。

    更大质量的恒星------那些质量至少是太阳八倍的恒星------在它们的核聚变更重的元素。特别是在它们的最后几周、几天甚至几小时内，宇宙中质量最大的恒星创造氮、氖、硅、硫、镁、镍、铬和铁。

核合成之后

    这是在恒星内元素的形成的终点线。它们的强烈能量是完美能够产生更重的元素，但聚变任何高于铁的东西消弱能量而不是产生能量，因此这些更重的元素罕见的出现在大质量恒星的核中。

    相反，元素周期表中的其余元素当恒星死亡时被产生，这它们通过各种迷人、复杂和壮观的手段。更小的恒星慢慢地将它们自己内部翻出来，跨它们的恒星系统吐出它们的内脏。更大的恒星在被称为超新星的猛烈灾难中爆炸。这两种死亡都会留下残骸。在小恒星的案例中，它们留下白矮星，这些白矮星几乎完全由碳和氧组成。更大的恒星留下令人难以置信的叫中子星的致密中子球。

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    来自一颗伴星的气体能落到一颗白矮星上，造成它来引发它自己的超新星爆炸。中子星能与彼此碰撞，在一个叫千新星的事件中释放出巨大的能量。

    无论如何，所有这些过程都涉及大量的辐射、大量的能量和大量的高速飞行的粒子------换句话说，时尚的新元素的完美汤。正是通过这些灾难元素周期表的其余部分进入了存在。

    也正是通过这些高能事件，这些元素超越它们的家乡恒星的界限扩散进入星际混合。在那里，这些元素加入新的气体云，这最终聚集来形成新一代的恒星，继续元素循环和再生的过程，慢慢丰富这个宇宙。