03.07 恒星核聚变产生铁,超新星爆发产生更重的元素,占太阳系质量绝大部分的氢从哪里来?

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黄金、铀以及太阳系中所有其他重元素都曾经是由我们太阳系的前身超新星爆发的“母星创造”出来的——超新星的消亡是由于缺乏燃料(氢、氦....铁)燃烧,所以它爆炸了,所有合成的局部物质都稀疏地散布在星云中。所以现在,几十亿年后,我们新点燃的太阳和太阳系来了,富含氢和氦!那么这种“新”氢是从哪里来的呢?超新星摧毁了剩余氢的任何希望。由此产生的星云引力会从我们系统周围几光年的地方吸入更多的氢吗?或者什么?还是上帝只是为我们创造了“新氢”,只是为了向我们展示他是我们的萌芽?



恒星在死亡前不会燃烧所有可用的氢。它们只是燃烧得足够快,以至于不能以足够快的速度燃烧剩余的东西来阻止恒星坍塌,因为恒星可能会与膨胀的碎片融合在一起。还会有其他没有坍塌的气体云。

超新星的特征取决于超新星中是否有氢元素。氢的另一个来源是恒星超新星爆发前经历的太阳风形式的质量损失。即使我们的太阳太小而不能形成超新星,也会因太阳风而失去部分质量。大质量恒星经历更极端的质量损失。最大质量的恒星在其原始形成和超新星死亡之间喷射出很大一部分原始质量。



然而,太阳的大部分氢可能从一开始就没有形成恒星。恒星形成是一个相当低效的过程。恒星形成的绝大多数气体云不会被吸入恒星。有些气体确实会坍塌,但只是在原行星盘中。就吞噬质量而言,这些气态巨行星和恒星一样低效。当恒星(太阳)点燃时,太阳系没有形成行星的物质被吹走。原始气体云只有10 %左右形成恒星。剩下的90 %被吹走,分散开来。


军机处留级大学士


氢元素是宇宙中含量最多的元素,以氢气(H2)含量为主的星球约占75%,太阳系也是如此。

太阳的氢气含量占比是73%,木星的氢气含量占比是75%,土星的氢含量和木星差不多,天王星的氢占了83%…

根据最近美国“新视野”号探测器的数据,太阳系的外层可能有一层氢元素的“墙壁”。

宇宙和太阳系中这么多的氢气是怎么来的呢?

宇宙诞生于138亿年前的大爆炸,大爆炸后一段时间是没有氢气的,很长一段时间后的原始粒子才形成氢气H2和氦气(He),大量分布在宇宙空间和星球中。它组成了宇宙最原始的物质和各种元素,也是初始恒星(第一代恒星)的主要燃料。

由于第一代恒星只有氢气和氦气,它只能通过p-p链的简单核反应来产生低能量,因此它中心温度会更高。通常质量是太阳140~260倍的第一代恒星在生命末期会以超新星爆炸的形式向四处抛出重质量都铁等金属元素。如果质量大于260倍太阳的第一代恒星如果没有坍缩成黑洞,最终的超新星爆炸会抛出大量金属,使附近的金属丰富达到临界以上。

因此宇宙中金属大幅增长可能是从第一代恒星的超新星爆炸而来的。


弄潮科学


这问题其实问的是宇宙中元素的丰度问题。

目前主流的学术观点认为,宇宙起源于一次大爆炸。原初阶段,在高温高压的环境中逐渐形成了轻子和重子,随后逐渐形成原子核,原子。所以,宇宙起初的元素丰度情况是氢和氦占主导,毕竟它们的核内质子数少呀,它们的丰度占到了99以上。所以一度有很多物理学大咖,比如:伽莫夫。他们就认为元素的丰度是固定不变的,来自于宇宙大爆炸。

不过后来科学家陆续发现了太阳内部核聚变的极致,以及超新星产生更重元素的理论,伽莫夫才被啪啪啪打脸。但即使是到现在,氢元素和氦元素的丰度依然高达99%以上。重元素还是很少很少的。因为宇宙的年轻还轻,才经历了两到三代的恒星周期。如果宇宙的年纪到达了1万亿年,可能丰度就和现在完全不一样了。而且并不是随便一颗恒星都可以实现超新星爆炸的,相反的,其实很少有恒星可以,因为这里有个临界值的要求:钱德拉塞卡极限,至少要1.44倍太阳质量才可以。可宇宙中,大部分的恒星都比太阳小。


总结一下:太阳系中的氢其实是与宇宙大爆炸留下来的,宇宙中99%以上都是氢和氦。


钟铭聊科学


你这问题实际上涉及到一个最深刻的问题。宇宙存在状态是什么?宇宙是有起源的吗?是从某个“母体”中“发育”而来的吗?那么,宇宙的“母体”又是从哪来的呢?…。

宇宙如果不是“炸奇点”而来的,它就是这样“自在地”、“无限地”、运动、发展、变化的,那它有没寿命呢?沿着“一个方向”运动、变化、演化到它“寿终正寝”?

如果宇宙是无限的、永存的,则它的存在就是以自洽方式存在;它的运动、发展、变化就是“双向、自洽”的,正如地球上的水循环、碳循环、氧循环那样,物质拓扑形态的演化方向是“双向”的。

目前,人们基本确定宇宙演化的正方向是,宇宙中的物质在引力的作用下,从宇宙时空中极稀薄的真空状态,逐渐聚集成星云形态,由最简单原子---氢原子,组成的星云;然后,星云进一步聚集成星球(恒星);氢元素在星球中核聚变反应,形成了一直到铁元素的各种元素;然后,恒星进一步“燃烧”演化成红巨星,将星体外壳炸飞,抛射出铁以下的各种元素物质于太空中;

其内核进一步坍缩成,一个方向是形成白矮星,白矮星目前研究看,由于处于一种“平衡”状态,其演化“停止”了,成了“宇宙僵尸”,“漂浮"在宇宙中;

另一个方向是形成中子星,中子星还会进一步坍缩致密成黑洞,黑洞目前的归宿,科学家也是“云山雾照”、莫衷一是,流行说法是黑洞蒸发,将物质通过“蒸发”“回归”了宇宙,另一个途径是黑洞爆炸,直接把物质“炸回”到宇宙太空中。

从以上科学家给出的宇宙中物质的一系列演化方向看,物质演化“不完全自洽”,达不到像地球上水循环这样的“完全平衡”的程度。也就是说,很多物质由氢元素演化到最后,不知怎么“回归”的,“氢元素回归”机制没有给出来,至少不是明确给出来。

太阳系中有地球这样的,由重元素组成的岩石星球,所以说,形成太阳系的星云不是原始“纯氢氦”星云,是第n代星云;这种第n代星云,据“流行理论”是黑洞爆炸后的,“回归星云”。

总之,人类目前还没完全找到物质演化的“回归”方向。找到了“回归”方向,宇宙大爆炸理论就成了“骗子的学说”了。


谭宏21


占太阳质量绝大部分的氢来源于宇宙诞生时刻的大爆炸。

说明这个问题,暂时需要建立在宇宙大爆炸模型是正确的基础之上,我们的宇宙从大爆炸中诞生。我们知道,所有元素是由质子、中子和电子构成,而中子和质子又可以看成是由更基本的夸克所构成,可以说,所有的物质都是由电子和夸克这类费米子所组成。

基本粒子如何在宇宙早期纯能量中诞生:

在宇宙大爆炸发生最早期的那段时间里(即最初三分钟以内),宇宙随着空间的膨胀,温度从最高温开始下降,整个空间被能量辐射所主导,但密度巨大,整个宇宙是不透明的。光子是能量辐射的主要载体,由于光子的波长与温度成反比,每个光子携带的能量也与波长成反比,所以,每个光子的能量与温度成正比。

爱因斯坦的相对论质能公式E=mc^2告诉我们,即便粒子处于“静止状态”也都具有固有能,这个著名公式就给出了这个能量:当作为能量的两个光子相互碰撞产生两个m质量的粒子时,那么,每个光子的至少等于每个粒子的静止能量mc^2。如果光子能量小于mc^2,那么,光子碰撞过程无法产生m质量的粒子,因为能量不够。每个光子的特征能量的值可以通过辐射温度乘以统计力学的玻耳兹曼常数获得,玻耳兹曼常数为0.00008617eV/k,因此,产生一个粒子的辐射温度至少为mc^2除以玻耳兹曼常数得出的值,这个值被称为“阀值温度”。

根据以上公式,我们可以计算出产生一个电子所需要的阀值温度约60亿度左右,而产生一个质子所需要的阀值温度约10万亿度左右。这个两个温度都远超出恒星热核反应时的温度,所以,电子和质子等构成元素基本粒子不可能在恒星内部产生。举例:当早期宇宙温度高于电子的“阀值温度”60亿度的时候,光子对碰撞,电子和正电子将被自由产生出来(正电子是电子的反粒子,带正电荷),可以推断,那时候,电子存在的数量巨大,电子和正电子相遇湮灭又产生一对光子,宇宙处于这种热平衡状态,这个观点适用于各种粒子的产生,各种粒子都由其对应的反粒子,这个理论由狄拉克预言并在1932年被证实。

基本粒子是如何保留下来的:

随着宇宙继续膨胀,温度下降到低于某一粒子的“阀值温度”时,该正反粒子对的产生将停止,按理,正反粒子对会相互湮灭,从而回归辐射。但有充分的观测事实告诉我们,物理学定律并非完全对称,1956年发现的微观粒子宇称不守恒定律预示了这样一种可能:在宇宙早期产生的正反粒子对过程中,存在着粒子比反粒子稍稍多一点的情况,残留下来的粒子最终构成了我们今天看到的物质。

氢元素的产生:

氢原子包括一个质子和一个电子。宇宙中残留下来的基本粒子和强子等最终成了组成物质的原料。至于电子被质子捕获形成最原始的氢元素,则发生于宇宙诞生以后38万年,宇宙温度下降到3000k左右,足以使中性原子得以形成,宇宙主要以气态物质形态存在,最终在引力的作用下凝聚形成恒星以及星系。


人择原理


恒星是宇宙中的“元素制造机”,元素周期表上绝大多数的元素都是由恒星制造的,但是氢元素除外。

恒星在刚形成的时期,绝大部分都是氢元素,通常氢元素要占到恒星质量的90%左右,氦元素约占8%,这比例也接近宇宙中氢和氦元素的占比。但恒星形成之后,就开始通过核聚变制造氢以外的其他元素了,先是将氢元素聚变成氦元素,然后再聚变成锂、铍、硼、碳、氮、氧等元素,恒星质量越小,所能聚变达到的元素层数量就少,质量越大所能就变成的元素数量就多。




比如我们的太阳,一般认为它只能聚变到碳和氧的阶段,但是相当于太阳质量8倍以上的大质量的恒星却能聚变到铁元素的阶段。不过当铁元素在恒星内部聚变产生时,这个恒星的寿命也就走到了尽头。

这是因为当恒星内部聚变产生铁元素的时候,恒星的聚变过程就不再释放能量,而是开始吸收能量,因为铁元素之前的元素在聚变产生时都可以释放能量,但是铁元素的产生过程却是需要吸收能量的,所以当铁元素在恒星内部产生的时候,就在那一瞬间,恒星内部不再有能量释放出来,由于聚变产生的向外辐射压就消失了,而恒星又都是质量巨大的天体,他们本身的引力势能也非常巨大,因此在向外的辐射压消失的时候,其外部巨大的物质质量会在引力之下迅速的挤压向核心,将中心物质撞击成一颗中子星。这就是恒星的超新星爆发现象了。




超新星爆发的时间非常短,但是就在这一瞬间,恒星剧烈的星体活动却能释放出相当于其一生核聚变数十倍的能量,这样巨大的能量又可以将铁元素进一步聚变,然后再将铁元素形成的元素进一步聚变,如此类推,所以可以有几十种元素在超新星爆发的一瞬间形成,比如黄金等贵重金属也可以在这一瞬间形成。

另外,中子星碰撞也可以产生大量的重金属元素,超新星爆发的时候身体内部可产生1500亿k的高温,中子星碰撞大约可以产生3000亿k的高温,因此中子星碰撞可以更多的创造重元素。



宇宙间的绝大多数元素的诞生,基本上都是基于以上的恒星的演变过程。但是氢元素却不是这样,它是在宇宙大爆炸发生之后不久形成的。

我们知道原子都是由电子、质子和中子组成的,而质子和中子就是由夸克组成的,这些基本粒子的产生需要极高的温度,比如产生一个电子所需要的阀值温度约60亿度左右,但产生一个质子所需要的阀值温度约10万亿度左右。所以恒星内部核聚变时不可能产生这些基本粒子,就是超新星爆发和中子星碰撞的温度也不足以产生质子,而氢元素既离不开质子也离不开电子,很显然,恒星的演变过程以及超新星爆发和中子星碰撞都不足以产生质子等基本粒子,这些元素材料都太难造了,需要的温度太高,因此恒星也就无法造就最简单的氢元素了(中子星碰撞,可以通过中子的衰变制造少量氢元素)。



那么宇宙中能形成基本粒子并造就氢元素的事物也就只有宇宙大爆炸了,宇宙大爆炸开始时的温度最高可达1.4亿亿亿亿K,远高于基本粒子产生的温度,在宇宙降温的过程,基本粒子产生了,随后也就产生了氢元素,同时也产生了部分的氦元素,两者在宇宙中的占比大概在99%左右,其他可能还有锂、铍等元素,但是含量就比较少了。


纵观宇宙诞生以及产生氢元素,氢元素形成恒星,再由恒星制造各种元素,各种元素通过物理和化学作用形成世间万物,这一过程用老子的“道生一,一生二,二生三,三生万物”来概括,还真是挺符合的。


人类的方向


宇宙中丰度最高的元素就是氢元素,排在氢元素之后的就是氦元素。在太阳系也是如此,如果按照质量计算太阳系的氢含量大约占了百分之70%,当然了太阳的质量是太阳系质量的99.8%,其他八大行星加上小行星、长周期彗星、柯伊伯带内的天体、一些天体碎片等只占了很小的一部分。

图:太阳系元素含量

按照现在的主流观点,宇宙起源于138.2亿年前的奇点大爆炸,最开始形成的就是氢元素,这意味着宇宙中的常规物质最开始就是氢元素。

而随着时间的流逝在宇宙空间中弥漫的氢和氦,由于密度不均在密度较大的地方开始聚集形成原始星云,最终形成第一代恒星。一般质量的恒星内核处发生核聚变生成氦,随着氦在内核处的积累逐渐增多,待恒星进入红巨星之前内核处会发生剧烈的“爆炸”,这就是氦闪。这种氦闪会在短时间内发生多次,直到氦的含量降下来,最后生成碳氧等元素。我们的太阳最终就是走这样的道路,核聚变只能聚变到碳氧等元素。

但是大质量、超大质量恒星内部高温、高压的环境,就可能会让元素聚变到更重,但是一般也都会聚变到铁元素未知。因为铁56是最稳定的,比铁重的元素更容易发生核裂变生成铁,比铁轻的元素更容易核聚变生成铁,所有有一种观点认为宇宙最终的结局很可能是铁56的世界,不存在其它元素,更深一步发生核子衰变全部都变成轻子。

那么宇宙中的重元素是从哪里来的哪?

其实主要还是大质量恒星演化到生命后期,虽然常规的温度和压力难以让铁发生聚变生成更重的元素,但是发生超新星爆炸的瞬间会产生极高的温度,这个温度足以让铁发生核聚变生成更重的元素。

所以宇宙中的氢元素理论上只会越来越少,因为不断地有恒星在形成,恒星都是在不断地发生核聚变生成更重的元素。



科学黑洞


氢元素绝大部分都是宇宙大爆炸初期产生的,在宇宙大爆炸初期,产生的绝大部分是氢元素,大概占到元素总数的差不多80%,还有20%多的氦元素和其它几种轻元素。一般认为现在宇宙中的绝大多数氢元素都是大爆炸初期产生的。

当然并不是所有,后期还是可以少量产生氢元素的。

这是恒星内部氢元素核聚变成氦元素的全过程,可以发现,六个氢原子核先是聚变成两个氦3原子核,然后两个氦3聚变成一个氦4过程中又重新产生两个氢原子核。

如果你认为这只是掩眼法,不算新产生的氢的话,那么还有别的过程,比如核反应过程中产生的自由中子会衰变成一个质子,单个质子就是氢原子核了,只要俘获一个自由电子成为核外电子就可以变成一个名副其实的氢原子了。不过这样产生的氢原子数量与大爆炸产生的氢原子数量毕竟是没法相比的,因此,你的问题答案主要就是大爆炸初期产生了。


星宇飘零2099


这个问题问得很好,宇宙大爆炸源自140亿年前,而太阳则诞生于50亿年前。一般推论,太阳属于第三代恒星,正如题主所描述,铁元素之前的由恒星聚变产生,铁之后的元素由前面几代恒星衰亡产生,因而,太阳系中有从氢元素到铀元素的各类元素。

但是太阳系中占绝大多数的氢元素则是自宇宙大爆炸之初的原始星云。

宇宙大爆炸之初,一开始还只是个炙热的能量团,极高的温度使的组成物质元素的电子质子无法稳定结合,因而没有任何元素,是一锅沸腾的能量汤。随着宇宙的膨胀冷却,充斥在宇宙中的能量汤生成了基本粒子,其中电荷相互吸引的电子和质子结合生成氢元素,还有极少的氦元素,这就构成了宇宙的原始星云。

原始太阳系所处的位置是前面几代恒星没有涉足的荒凉地带,又因超新星爆发的扰动逐渐凝聚形成了太阳系的雏形。


没有诗也可以有远方


氢元素是构成宇宙物质的基本元素,也可以认为是世界上所有元素的母元素。氢由一个质子和一个带负电荷的电子组成(另外氢还有两种同位素氘和氚,各含一至两个中子,也叫重氢,是产生核聚变的重要元素,但含量在氢元素中只占约0.02%)。引力场的极限是奇点,也是起点。物质粒子在那一刹那被释放出来,并组成了最简单的元素:氢



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