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为了创造一颗充满生命的岩石行星,宇宙需要制造大量的重元素。想要产生锡、碘、硒、钼、锌和铜等元素,需要银河系在过去多次出现超新星爆发。为了产生铁、钙、钴、硫和钾等元素,需要质量足够大的恒星来制造它们。
然而,宇宙诞生的时候几乎只有氢和氦两种元素。如果当时宇宙就只有这两种元素,那就不可能产生比太阳质量大三倍的恒星。这样,重元素无法产生,更不会有后来的地球与生命。然而,早期宇宙中的一个微小缺陷使恒星质量得以成长到太阳的数百倍,这是今天我们可以存在的唯一原因。
正因为这些大质量恒星的出现,才有了今天我们所知的宇宙。在像我们太阳这样的恒星中,中心区域达到足够高的温度,使氢聚变成成氦,直到中心的氢元素耗尽。此后,太阳的核心将会坍缩,使温度升高至足以把氦聚变成碳,以及痕量的其他元素。
当氦元素耗尽时,太阳将到达生命的终点,它无法再聚变更重的元素。若要进一步聚变,需要至少太阳质量8倍的恒星。正是那些大质量恒星在生命终结时爆发成超新星,才有足够高的能量来制造重元素,然后扩散到宇宙中。
在大多数类似于银河系大小(直径约10万光年)的星系中,每个世纪都会出现多个超新星,表明这些大质量恒星在宇宙中很常见。事实上,无论在宇宙何处出现恒星大爆发,即使是第一次,也会产生诸多质量足够大的恒星来制造这些重元素。
然而,如果宇宙只有普通的氢和氦两种元素(其中氢由一个质子组成,氦由两个质子和两个中子组成),这将产生一个巨大的问题:氢核聚变开始于大约4,000,000 K的温度(K = ℃ + 273.15),这需要至少1.6×10^29 kg的质量坍缩成一颗恒星。由于质量巨大,原恒星将迅速坍缩,在短时间内加热到聚变温度,并向外释放出很强的辐射压,这将会推开原本被吸引的气体元素,从而阻止恒星进一步生长。最终只能形成质量大约为太阳3倍的恒星,而产生地球与生命所需的大质量恒星将无法形成。
幸运的是,宇宙自诞生之初起,还存在其他成分,它们使得大质量恒星的出现成为可能。这种额外的成分就是氢的重同位素:氘,它由一个质子和一个中子组成。当氘和正常的氢核同时存在时,只需1,000,000 K的温度就能把它们聚变成氦-3,同时产生相对较弱的辐射压。这是原恒星中发生的最初核反应,它把核心向外推,使温度上升的速度远慢于只有氢的情况。
即使只有少量的氘——少于原恒星质量的0.01%,也可以把温度升高至启动氢核聚变的时间推迟数千万年。从而使恒星有足够的时间聚集更多的原料,来形成数十倍甚至上百倍太阳质量的恒星。
那么,宇宙中的氘来自何方?
在宇宙大爆炸之后的最初几秒钟,宇宙是由质子和中子组成,它们互相碰撞形成更重的元素。第一步会形成氘,但它们很容易被极早期宇宙的高能辐射破坏。直到几分钟之后,氘才能稳定存在。虽然这导致宇宙几乎全部由氢(大约占75%)和氦(大约占25%)组成,但同时也形成了痕量的氘和氦-3,以及更少的锂-7。
尽管在这个过程中,只有大约0.0025%的宇宙质量成为氘(四万分之一),但这足以使大质量的恒星形成。只有大质量恒星的诞生,才会有后来的重元素,最终才有地球与生命。虽然我们的宇宙并不完美,但这是绝对必要的。如果没有微量的氘来延迟恒星中心的核聚变反应,宇宙将不会有生机。 |
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