元素是如何形成的?

作者: 未知

来源: 加州大学圣芭芭拉分校

发布日期: 2018-08-24

本文探讨了科学家如何通过研究恒星的化学成分来理解元素的起源,特别是通过分析不同元素的比例和形成过程。文章详细介绍了恒星内部核聚变的过程,以及这些过程如何影响宇宙中元素的分布和丰度。此外,文章还提到了天文学家如何通过观测恒星和气体的化学成分来追溯银河系的历史,以及这些研究如何帮助我们理解宇宙中元素的起源和分布。

2008年9月29日,致力于解开银河系历史之谜的科学家们聚集在了加州大学圣芭芭拉分校,参加一次叫做“回到银河II”的大会。与会者都有着不同的研究方向,有的在寻找暗物质,有的在研究气体动力学,有的则对遥远的星系进行观测。这些科学家会为钡(Ba)原子与铕(Eu)原子的比例问题而兴奋,并且毫不掩饰对于通过比较硅(Si)与铁(Fe)的含量能够学到的东西的热爱。

为了致敬卡尔·萨根,参加那次会议的Jennifer Johnson和Inese Ivans开始着手研究,是什么类型的恒星产生了这些元素。带着一张打印的元素周期表,他们在附近的商店里买了一堆马克笔,便准备开始确定宇宙中每个元素的物理起源的工作,他们根据每一个元素是如何被创造的来对它们标以不同的颜色。

探寻宇宙中元素起源的历史,Jennifer和Inese制作的图表是我们对过去一个世纪的工作的一种提炼。1920年,爱丁顿(Arthur Eddington)爵士第一次提出,氢(H)聚变成氦(He)的过程是太阳的能量来源。二十年后,诺贝尔奖获得者贝特(Hans Bethe)使用新的核物理学数据计算出,事实上正是核聚变让太阳发光发热。

到了上个世纪五十年代,Margaret和Geoff Burbidge、Fred Hoyle、以及Willy Fowler等人坚持不懈的工作给出了结论:比氦更重的元素是恒星内核聚变形成的,然后在恒星死亡的过程中散播到宇宙中。他们的成就之一是表明了从氦直接聚变为碳(C)而跳过中间讨厌的锂(Li)、铍(Be)、硼(B)三种元素是可能的,这项成就被写入了Fowler的诺贝尔奖引文中。

天文学家总是喜欢开玩笑说,在他们的眼中只认识元素周期表中的三种元素:氢、氦和“金属”。是的,与化学家不同,天文学家不仅将金(Au)、锡(Sn)、银(Ag)、铜(Cu),也将氧(O)、氖(Ne)、氯(Cl)等作为金属元素。作为划分“那些主要在大爆炸中形成的”和“其他一切”元素的一种方式,这样的命名体系确实很有效。

当然,宇宙并不那么简单。由于不同质量和成分的恒星形成并死亡,它们以不断变化着的大量元素丰富了银河系的气体。恒星大气层是其从中诞生的气体的保存样本,是刻在恒星表面上的化石记录;并且是其恒星祖先的核合成之总和。如果我们能够破译这样的化学指纹,就能够知道之前的恒星的状况。通过数黑洞的数量来衡量曾经存在过的大质量恒星的数目并不容易,但是观察黑洞形成时遗留的、累积下来的喷射物就容易多了。

由于对银河系中恒星和气体的化学成分的最新的以及持续的研究,这张标记了元素起源的周期表也在持续地演化。目前的版本于2017年在美国天文学会冬季会议的新闻发布会上首次亮相,当时Jennifer是斯隆数字化巡天(SDSS)项目的队伍中的一员,这个项目自2008年以来一直在绘制我们的宇宙。SDSS测量了10万多颗恒星的化学成分,包括六种构成生命的关键元素:碳、氢、氮、氧、磷和硫,它们被称为CHNOPS。

人体质量的>97%都是由这些元素构成的。

关于元素起源的故事远没有完结,Jennifer的工作也在继续。2017年秋天,当人类探测到双中子星碰撞产生的引力波的时,Jennifer对元素周期进行了第一次的修正。对于引力波和电磁波的后续研究证实了一种理论,那就是,这些不同寻常的天体爆炸会喷射出大量的金(Au)元素以及快中子捕获过程(r-过程)中创造出的元素。

现在,不确定性的乌云最密集地悬挂在中间元素上方,比如锡(Sn)、钼(Mo)和砷(As)。那些不是为恒星提供能量来源的关键元素,或者那些不是在极端的爆炸中产生的元素,可能是在许多不同地方少量产生的。所以,要找到它们正在形成的起源地非常困难。

Jennifer和Inese凭着最好的猜测为这些元素涂色,但是,只有利用光谱仪收集的庞大的数据集,并结合盖亚卫星收集的成千上万颗恒星的数据,我们才能够破解这些元素周期表中既不简单、也非极端的元素究竟是如何产生的。

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