地球的表面就是宇宙汪洋之滨。我们的本能告诉我们,我们是在这个大海里诞生的。我们还乡心切。我们也会。因为宇宙也在我们之中。我们都是星尘。
太阳的可见光光谱,我们能从中了解的不仅是其温度和电离,还有元素的丰度。元素周期表中有100多种元素,其中有91种是在地球上被自然发现的。每一种元素都有着不同的起源方式,比如氢和氦起源于宇宙大爆炸。
每种元素的主要来源。橙色(比如氢和氦)代表元素起源于宇宙大爆炸,绿色的三个元素则源自于宇宙射线,粉色的元素主要来自小恒星或大恒星(“小恒星”是指质量不足以大到成为超巨星并成为超新星的恒星),黄色元素起源于大恒星,红色元素来自大恒星或超新星,浅蓝元素主要在超新星爆发中被创造,白色为人造元素。
但是,在宇宙大爆炸的那一刻,所有的这些元素都不存在。早期的宇宙充满了物质和辐射,并处于极度炙热和致密的状态,导致了当时已经存在的夸克和胶子无法形成质子和中子,而是处于夸克-胶子等离子体的状态之中。
大爆炸一秒过后,宇宙的温度慢慢冷却,夸克和胶子开始形成稳定的质子和中子。三分钟后,这些核子融合成氦和少量的锂,但没有更进一步的元素产生。根据太初核合成(BBN),科学家得以预测氦-4、氘、氦-3和锂-7的丰度。
经历了数千万年后,宇宙中终于形成了第一批恒星,制造出更多的氦气。质量足够大的恒星会演变成巨星,在核心的氦经由3氦过程(即3个氦原子核转换成碳原子核的过程)聚变为碳,同时也产生氮,氧,氖和镁。
质量最大的恒星会变成超巨星,会在核心聚变形成更重的元素,如碳,氧,硅和硫等。巨星和超巨星会创造出更多的自由中子,这就允许建立更重的原子核,直到元素铅/铋。
大多数的超巨星都会形成超新星,其中快中子(能量为1 - 20MeV的中子)被吸收,就会形成铀及以上的元素。中子星的合并是创造宇宙中最重的元素(包括金,汞和铂)的主要来源。
此外,锂,铍和硼是三个元素特别有意思的元素。它们既不能通过聚合更轻的元素来制造,也不可能从碳和更重的元素中制造出来。它们的形成之谜来自于像黑洞、中子等高能天体物理源产生的宇宙射线,当宇宙射线与重原子核碰撞时,会发生散裂——即产生更轻的元素。
最后,比刚才提到的都要更重、不稳定的元素都是在地面上的实验室中制造出来的。结果就是我们今天看到的丰富多样的宇宙。目前,最新的元素起源的周期表是由Johnson绘制的,她用六种颜色代表不同的宇宙事件:大爆炸,宇宙射线,合并的中子星,以及三种不同类型恒星的爆炸。
该周期表中包含了所有组成我们身体的关键元素,例如,由超新星爆发产生的氧(O)、磷(P)和硫(S),低质量恒星死亡产生的碳(C)和氮(N)。同时,宇宙中含量最丰富的氢(H)则是在一百多亿年前的大爆炸中产生的。
在该周期表中有两个用灰色表示的元素:锝(Tc)和钷(Pm),以及所有超过铀(U)的元素都没有被包括进来,这是因为这些元素并没有稳定的同位素。我们只有在对撞机或核弹中制造中才会看到它们。但这张元素起源的周期表仅限于太阳系。