外太空沒有氧氣?並不正確,它可能比你想象得還要多
原子由原子核和繞核運動的電子組成,原子構成一般物質的最小單位,稱為元素。
氫元素在地球上肯定是最豐富的元素,排在第二位的是氦,那麼第三豐富的元素呢?你知道是哪個?
早期宇宙的元素形成
在地球上我們見到過、接觸過的所有物質都是由相同的兩種亞原子粒子組成的,分別是帶正電荷的原子核和帶負電荷的電子。這兩種亞原子粒子組成的原子之間的相互作用的方式(相互吸引、排斥、結合,組成新的、穩定的能態)是我們周圍世界存在的原因。
那麼為了形成不同的化學鍵結構,為了構建複雜的分子,我們就需要大量不同的原子。不僅數量要大,而且原子的類型也要充滿多樣性,或者原子核中質子的數量要有很大的差異。
我們人體存在本身需要碳、氮、氧、磷、鈣和鐵等元素,而這些元素在宇宙最初形成時並不存在。我們地球的存在本身就需要硅和無數其他重元素,甚至是從元素週期表中最輕的元素一直到我們發現的自然產生的最重元素:鈾,甚至是微量的鈈。
這個時候質子和中子的融合稱為大爆炸核合成,其實跟恆星聚變的道理一樣,也是一系列的連鎖反應。但一個不斷膨脹的宇宙不管從密度還是温度上來説都不及恆星核心的條件。
單個質子和單箇中子融合形成氘,這是鏈式反應中形成重元素的第一步,要想完成這一步宇宙必須先冷卻下來,但是當宇宙達到相對較低的温度和密度時,除了少量的氦以及微量的鋰以外,宇宙就已經制造不出來任何比鋰更重的元素了(具體細節可以戳上面的鏈接)。因此宇宙在很短的一段時間裏,鋰(元素週期表上的第三種元素),是宇宙中第三豐富的元素。
但是宇宙一旦開始形成恆星,一切都會發生改變。
我們知道恆星是在類似於洋葱層中融合元素的。其中氦聚變生成碳,然後在更高的温度下,碳聚變生成氧,氧聚變生成硅和硫,硅最終聚變生成鐵。在最末端,鐵無法融合成其他任何元素,因此核心內爆,恆星變成超新星。
慢中子俘獲(s過程),按順序形成元素,氦原子核與較重元素的聚變(產生氖、鎂、氬、鈣等),以及快中子俘獲(r過程),創造比鐵更重的元素,一直到鈾,甚至更重。超新星爆發以後會產生大量的自由中子,這些中子會和其他原子核碰撞並被捕獲,所以稱為中子捕獲過程,其中按捕獲的速度又分為快和慢。它們都可以形成在恆星聚變過程中,無法產生的元素。
宇宙的壽命和恆星存在的時間,告訴我們氧是宇宙中第三豐富的元素。但它仍然遠遠落後於氦和氫。
總結
經過足夠長的時間週期,至少是現在宇宙年齡的幾千倍,甚至可能是幾百萬倍,氦最終可能超過氫成為宇宙中最豐富的元素。在非常長的時間尺度上,宇宙中的元素經過一代又一代恆星的融合,甚至碳和氧最終可能會超過氦稱為宇宙中最豐富的元素。