科学终于解决了!困扰天体物理学60年的问题,锂元素如何产生?


在我们得印象中 , 宇宙中所有的元素 , 从最轻到最重 , 它们的来源问题貌似都已经解决了 。
我们现在知道宇宙的基本元素(氢和氦)来自于大爆炸阶段的核合成 , 然后这些元素在恒星中被聚变为重元素 , 大质量恒星死亡时所经历的Ⅱ型超新星爆发会将这些重元素返回到宇宙空间中;
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并且在这个过程中还会通过中子捕获过程大量产生核聚变中无法生成的重元素 。 可以这么说 , Ⅱ型超新星的爆发基本上已经把元素周期表中的重元素包圆了 。
剩下的一些缺失的部分或者缺失的比例 , 我们还可以从中子星的碰撞中找到 。
重元素的问题是解决了 , 但是我们常常却忽略了一些较轻元素的产生 , 如锂、铍、硼 。 相信你没有听说过 , 至少很少会看到有文章介绍这三种元素在恒星聚变中是怎样形成的?
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其实恒星在将氢元素聚变为氦以后 , 如果它的质量足够大的话 , 直接会进入碳、氮、氧的聚变 , 然后是硫、硅 , 直到铁、钴、镍这些元素 。
恒星聚变的中间过程很少会经历锂、铍、硼这三种元素 , 就算是它们被有幸生成 , 也会因为高温立刻被电离成为氢、氦和中子 , 也很难保存在恒星中 。
简单点说 , 恒星聚变不能产生这三种元素 。 那么问题就来了 , 这三种元素不能在恒星中产生 , 但在宇宙中确实存在 , 那它们是怎么来的呢?
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尤其是我们对锂元素在大自然、太阳系、甚至是在银河系中相对比较高的含量更是无法解释 。 这个问题困扰了天体物理学将近60年的时间 。
不过在最近 , 由天体物理学家萨姆纳·斯塔尔菲尔德领导的新研究解决了锂元素来源这个难题 。 找到了缺失的那一部分 , 这篇论文发表在《美国天文学会天体物理杂志》上 。
今天我们就着重说下锂元素是怎么来的?
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上文说了锂元素很难保存在高温的恒星中 , 但可以存在与行星、小行星或者陨石中 , 通过测量太阳系陨石中锂元素的含量 , 我们就能知道在太阳系形成的时候星云中锂元素的含量 。
然后通过对银河系大量的恒星进行观测 , 测量它们的质量、大小、颜色、重元素丰度 , 然后跟我们的太阳进行比较 , 并且太阳系测量出来的锂元素丰度 , 推广至整个银河系 。
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最后的出来的结果是 , 在银河系中锂元素的量相当于1000个太阳质量 。
以前我们认为锂元素的来源有三种:
138亿年前的大爆炸核合成 。 早期大爆炸的过程中 , 宇宙空间虽然在膨胀 , 但是在很短的时间内温度和密度非常高 , 足以引起类似于恒星中发生的核聚变 。
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这个发生在整个宇宙中氢元素到重元素的过程就是我们所说的大爆炸核合成 , 其在很短的时间内将宇宙中所有的质子和中子转化为了大约75%的氢 , 也就是单个质子;25%的氦;0.00000007%的铍-7 。
由于铍-7非常不稳定会在很短的时间内通过捕获一个电子会将质子转化为中子 , 变为稳定的锂-7 。 大爆炸合成的锂-7 , 按比例来说在银河系中只相当于80个太阳质量 。
宇宙射线(高能粒子)撞击重元素使其重核分裂为轻核 。 宇宙射线大家非常熟悉 , 它常常来自于大质量恒星、中子星、黑洞这类高能量天体 。


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