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NASA科學家:人類只是宇宙核聚變的廢料

2019-05-23 10:45圖文來源:南報網

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南報網訊 毫無疑問,我們已進入一個大科技時代,科技正發揮著越來越重要的作用。2019年更是一個宇宙探索的大年,中國不僅首次成功登陸月球背面,還要建造自己的空間站,美國制定了重返月球的計劃,歐洲還要從月球上挖礦。2019年4月,包括中國等世界各國科學家和機構通力合作,獲得了首張黑洞照片。

人類探索宇宙,不僅帶來了航空航天、通訊、衛星、遙感、氣象等切實利益,還回答了人類的根本問題:我們從何處來,將往何處去?人類一直在思考,自己究竟從何處而來?關于生命起源的終極答案,宇宙也能給我們線索。

地球上的生命與恒星的存亡其實有著密切的關系。我們維持生命所需的所有元素——我們呼吸的氧氣,我們骨骼中的鈣,我們血液中的鐵——都是在消逝已久的前幾代恒星的熔爐中鍛造出來的。

專事于科普工作的NASA科學家金伯利·K.阿坎德在她的新作《NASA自然百科:認識宇宙》中,對地球生命與恒星的關系給予了非常通俗易懂的全面解釋。要了解生命,先從恒星開始,因為恒星消亡時才產生了地球上的生命元素。

宇宙被認為是在 137 億年前的那場大爆炸中開始的。從那之后,它迅速膨脹為一個由氫和氦原子組成的超高溫的“海洋”。經過一段我們目前尚一無所知的“黑暗時代”,幾億年后,當宇宙冷卻到某種程度,就具備了第一批恒星和星系的形成條件。

在宇宙中,當巨大的氣體和塵埃云團坍塌時,其中央形成一個熱物質內核,恒星由此誕生,就像我們熟知的太陽,這個誕生過程相當漫長。沒有進入恒星核心的其他材料可能會變成行星、小行星和其他碎屑。我們的地球就是一顆行星。

當這個為期數百萬年的誕生過程結束時,恒星就開始通過一種名為核聚變的過程燃燒,或者說發光。原子的核心被稱為原子核。核聚變是兩個原子的核心相聚或融合的過程。發生核聚變時,兩個原子核變成一個更重的原子核。與此同時,大量的能量會被釋放出來。

正是這個原子核碰撞并釋放能量的過程,為恒星提供了能量。當我們說一顆恒星在“燃燒”,指的就是這件事。在恒星整個生命的大部分時間里,這種燃燒過程涉及氫——宇宙中最輕也是最豐富的元素——聚變成氦的過程。我們的太陽現在就處于這個階段。

它當一顆恒星缺少用來在核心進行核聚變的氫時(我們的太陽在大約50億年內都不會出現這種情況),事情就變得更有意思了。隨著核心的氫燃燒殆盡,那里不再產生能量。這會導致核心的緩慢坍塌和升溫。

然而,核聚變的過程依然在持續,只是轉移到了仍然還有氫的部位。這意味著核聚變開始在核心之外富含氫的氣體層中發生,且在這個過程中為恒星提供能量。這時恒星進入天文學家所說的“紅巨星”階段。

當這一層的氫耗盡之后,紅巨星中的核聚變過程開始將新創造出的更重的氦原子加入進來。隨著核聚變過程沿著元素周期表不斷前進,這些發生融合的氦原子變成了更重的元素,直到產生碳。

如果恒星的大小不足以產生融化碳的高溫,恒星就會卡在這里。原子無法被聚變成新的原子,碳和氧開始在核心形成和聚集。隨著恒星的核心吸引越來越多的物質,它開始升溫。這會導致恒星的外層向外膨脹。

紅巨星階段并不總是一個平靜和連續的過程。相反,隨著核心中的核聚變開始像耗盡汽油的汽車一樣噴濺,這顆恒星就會開始不均勻地向外噴射物質。這一階段的恒星圖像被稱為“行星狀星云”。

當太陽進入這個階段時——距離現在還有幾十億年,所以不要擔心它會膨脹。這里所講的膨脹不是膨脹一點,而是膨脹得非常厲害。實際上,天文學家推測當這件事發生時,太陽會向外膨脹得非常厲害,以至于吞沒太陽系的內行星:水星、金星,甚至地球。

然后,我們的太陽和它的同類恒星將繼續以紅巨星的狀態存在,直到再也沒有任何可以釋放的外層物質。留下來的將是一個密度很大的小型內核,天文學家稱之為白矮星。由于沒有可以用于燃燒的燃料,白矮星只能漂浮在太空中,散發著剩余的熱量。這個過程會持續幾十億年,然后在某個時刻,這顆恒星最終會從一塊滾燙的余燼變得冰冷黑暗。

對于像我們的太陽一樣或者更小的恒星,變成白矮星的緩慢過程是它們漸進而平靜的命運,但是對于那些更大的恒星呢?簡而言之,它們不會安靜地走向死亡。那是因為它們的核聚變并沒有因碳核聚變而停止,它們會繼續這個過程,制造出越來越重的元素,直到鐵元素被制造出來。

當這顆恒星開始將鐵聚變在一起,它就遇到了大麻煩。這是因為當兩個鐵原子結合時,它們實際上吸收了能量,而不是像其他原子那樣釋放能量。這會引發失控的連鎖反應,導致恒星冷卻,壓力陡然下降。這最終將導致整顆恒星的戲劇性坍塌。

當這顆恒星坍塌到核心上時,它會反彈,將恒星的外層物質全部拋射到太空中去。天文學家將這種爆發稱為超新星爆發。超新星爆發釋放出的能量如此之大,以至于它們的光芒可以蓋過整個星系。考慮到一個星系含有數十億顆恒星,這就讓人覺得更了不起了。

當這些大質量恒星經歷超新星爆發時,仍然會留下恒星曾經的核心。然而,這個核心的密度現在更大了,因為核心的坍塌一直在繼續,直到所有電子和中子都被擠在一起,就像一群人正急于穿過出口卻無處可去一樣。這個被壓縮的天體被科學家稱為中子星,它的密度是如此之大,一湯匙中子星的重量就超過10億噸。

每當一顆恒星將它聚變出的元素釋放到太空中去時,無論是以紅巨星緩慢吹拂的方式還是超新星猛烈爆發的方式,它實際上都是在用這些重要元素豐富下一代的恒星和行星。地球上所有這些生命元素,其實都來自宇宙。當初,它們被太陽誕生時的云團卷入了我們這顆正在發育中的地球行星。從這個角度來看,人類只不過是宇宙核聚變的廢料。相信隨著人類對宇宙的不斷探索,將會揭示出越來越多關于生命的更多奧秘。

責任編輯:劉陽
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