太空中元素的合成

太空中元素的合成

合成元素的各类核反应很多是太空环境下进行的，所以要弄清元素的起源就涉及各种天体物质。宇宙的起源和演化、银河系的构造和演化、恒星的类型和历史，都与元素合成不无关系。可以肯定地说，今天自然界有这么多的元素，是由于天体物质及其活动的多样性造成的。

一、宇宙中元素合成的起源与演化

美国天体物理学家温伯格在《宇宙的最初三分钟》中，以大量图片的方式形象地描绘了宇宙的起源。早在1912年，施里弗（Slipher）就得到了“星云”的光谱，结果表明许多光谱都具有多普勒（Doppler）红移现象，即这些“星云”在朝远离我们的方向运动。随后人们知道，这些“星云”实际上是类似银河系一样的星系。

1929年哈勃（Edwin Hubble）对河外星系的视向速度与距离的关系进行了研究。哈勃测定出了一些星云的退行速度v，又给出了这些星云与我们的距离D，发现v与D成正比关系，即v＝H₀D这就是著名的哈勃定律，式中的比例常数H₀称为哈勃常数。

宇宙的最初三分钟

哈勃定律揭示宇宙是在不断膨胀的。这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀。因此，在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀，从任何一个星系来看，一切星系都以它为中心向四面散开，越远的星系间彼此散开的速度越大。

根据这一定律可以推想：在最初阶段，宇宙是一个高温、高密度的原始火球。那么这个最初阶段的宇宙到底有多大呢？遗憾的是至今仍还没有一种准确描述这一宇宙的原始阶段的理论，只有一些猜想和假设。但宇宙最初几分钟的演化过程与其大小没有关系，所以科学界很多人不愿意继续探讨这个问题。

哈勃

但在这里只介绍元素起源，所以我们从宇宙大爆炸开始讨论元素的起源和核合成过程。大爆炸理论认为整个宇宙正在向外迅速膨胀，并得出一个结论：整个宇宙源于100多亿年以前的一次大爆炸，大爆炸发生前，宇宙是一个无限小的奇点，大爆炸发生后所有的一切物质才得以诞生。

宇宙大爆炸前后发生的事件

一些物理学家认为，在大爆炸之后的10^-48秒，宇宙处于普朗克时期。这一时期，自然界的四种力（强相互作用、弱相互作用、电磁作用和引力作用）是统一的，在10^-48～10^-35秒期间，引力开始分离出去了，但另外三种力还是统一的。这时温度仍极高，约为10²⁷K。宇宙仍是一片辐射的世界，但这时已经有可能存在少量的轻子、夸克、轻夸克和引力子。在10^-35～10^-33秒如此短暂的时间内，宇宙开始迅速膨胀，这时强相互作用开始分离出去了，并且出现了作为强相互作用交换粒子的胶子。这一时期的特征是物质开始多于反物质。在10^-33～10^-6秒，这四种力完全分离了，作为它们之间交换用的粒子便开始永久存在了。此外，电子、正电子、中微子和反中微子出现了。从10^-6～2秒，这是夸克囚禁时期，这时出现了中子和质子，反物质的量显著减少，而物质占了主导地位。

随后，开始了核合成时期。这一时期与元素合成有关。这时，由于宇宙温度仍很高，质子和中子还无法相互结合，而只能与电子、正电子、中微子和反中微子处于热平衡中。

目前，我们还不清楚，宇宙的起点在哪里。而近些年的一些实验，主要是对哈勃常数的测量。

新测定的哈勃常数给出的宇宙年龄只有80亿年，而目前已知的最古老的恒星的年龄已经达到130亿年。一个年轻的宇宙中竟然存在着比它要老的恒星，这令很多人觉得不可思议。这一年龄矛盾正好出现在宇宙学和恒星学这两个领域，并且这两个领域也恰好与元素的合成关系最密切。因此宇宙年龄的研究必将会深化我们对元素起源的认识，我们期待着这一方面研究的新进展。

宇宙的演化

二、银河系的构造及演化

迄今人类所能观测到的星系及其空间总称为宇宙系。宇宙由众多的星系所组成，据统计，宇宙中至少存在1000多亿个星系，其边界大约有100多亿光年。太阳系所处的银河系就是这1000多亿个星系中的一员。这些星系对元素合成具有重要作用，由于篇幅原因这里只以银河系为例。

银河系

银河系是由约1400亿颗恒星及大量星际物质组成的巨大系统，其主要组成部分为银河。我们在晴朗的夜晚仰望天空，可以看到一条群星密集、白茫茫的光带，这就是人们常说的银河。

银河系里大多数的恒星集中在一个扁球状的空间范围内，扁球的形状好像铁饼。扁球体中间突出的部分叫“球核”，半径约为7000光年。球核的中部叫“银心”，四周叫“银盘”。在银盘外面有一个更大的球形，那里星少，密度小，称为“银晕”，直径为7万光年。银河系是一个漩涡星系，具有漩涡结构，即有一个银心和两个旋臂，旋臂相距4500光年。其各部分的旋转速度和周期，因距银心的远近而不同。球核本身主要是一些年老的恒星，而年轻的恒星主要集中在旋臂。

太阳就是位于旋臂上的一颗离球核约3万光年、年龄为46亿年的恒星。

银心直径大约为几光年，由100多万颗恒星组成，其质量大约相当于几百万颗太阳，如果它一旦发生的剧烈的爆炸则称为银心爆炸，这对元素核合成有重要的意义。现在有一种观点认为，可能至少一部分旋臂是曾经银心爆炸时产生的扩散壳的遗迹，并且太阳系的形成也和银心爆炸有很大关系，太阳系含有的重元素就可能是银心爆炸时期的产物。

通过天文观测表明，银河系的确存在过爆炸和剧烈的扰动，而且至今仍未平息。观测还表明，银河中心区域的重元素的量比其他部位多。关于这一点有两种解释，一种是银心附近发生超新星爆炸的几率高；另一种就是银心的爆炸规模尽管无法与宇宙大爆炸相比，但却可与100亿颗超新星爆发的规模相当。如此剧烈的爆炸当然会伴随着核反应，从而对元素合成做出贡献。对我们来说银心爆炸的原因和机制还不是很清楚，爆炸释放出的巨大能量是无法用核能解释的，现有一种假设认为是由于质量巨大的天体物质的引力能释放。但银心爆炸会引起哪些反应以及合成哪些元素至今尚不清楚。一种观点是大量物质从星际空间向银心收缩，随后发生爆炸，新的物质在高温和高密度的状态下诞生，并以适当的速度膨胀。当然详细的物质诞生过程还不清楚。这种过程形式上与宇宙大爆炸没有大的区别，因此常被称作小爆炸。然而，两者不仅在规模上不同，而且宇宙大爆炸对宇宙初期的温度、密度、光子与核子的比值等物理参数都有所限定。而银心小爆炸却可以完全自由地选择参数。这种小爆炸也可生成氦，同时还是合成重元素的良好条件。据目前观测表明，银心处的重元素量要多于其他区。但小爆炸理论确实不成熟，尤其是根据小爆炸理论计算出的太阳系丰度与实验值有较大差异。

银河系发生星体爆炸

根据银河系内的球状星团的年龄来推算，银河系的年龄大约在100亿年以上。现认为球状星团是银河系中最早的成员，两者年龄基本相似，从理论上讲球状星团略为年轻些。如果这样，球状星团的重元素丰度应该很低，宇宙大爆炸只合成了氢、氦和少量轻元素。银河系形成时不应含重元素，可是通过实验观测发现球状星团含有重元素。也就是说，迄今为止还没有发现一个不含重元素的球状星团。此外，所发现的球状星团也不具有相同的重元素丰度。总之，银河系演化（尤其是银心爆炸）对元素合成的作用至今还存在着很多秘密。

三、恒星系演化学说

在地球上遥望夜空，宇宙是恒星的世界。恒星在宇宙中的分布是不均匀的。从诞生的那天起，它们就聚集成群，交映成辉，组成双星、星团、星系……

古代的天文学家认为恒星在星空的位置是固定的，所以给它起名“恒星”，意思是“永恒不变的星”。可是我们今天知道它们在不停地高速运动着，比如太阳就带着整个太阳系在绕银河系的中心运动。但别的恒星离我们实在太远了，以至我们难以察觉到它们位置的变动。

恒星是在熊熊燃烧的星球。一般来说恒星的体积和质量都比较大。只是由于距离地球太遥远的缘故，星光才显得那么微弱。恒星发光的能力有强有弱。天文学上用“光度”来表示它。所谓“光度”，就是指从恒星表面以光的形式辐射出的功率。

恒星的起源和演化

另外，恒星发光消耗能量，会引起其内部的变化，这对元素合成有着重要的作用。元素周期表中绝大多数元素以及核素表中90%左右的元素，都是在恒星演化的过程中产生的。宇宙在大爆炸后的几分钟时间内合成了氦，在以后数十亿年中，并未对元素合成起重要作用。这一时期的主要天体过程是大量星际气体和微粒物质由于引力作用而吸积，逐渐形成星系、星系团，其中包括恒星。在引力作用下，星际气体和微粒物质体积变小，逐渐集聚成团。宇宙大爆炸主要产生氢和氦，氢约占76%，因此星际气体主要是氢原子组成的。引力的收缩，使被压缩的星际气体内部压力增大，温度不断升高，最终温度达1000万K左右。像太阳这样的恒星，收缩阶段约需几千万年，质量越大收缩越快。具有十几倍太阳质量的星只需上万年，而质量比太阳小的星，则需几亿年以上。可见，恒星的演化与其质量关系密切，并且由此决定了元素合成的丰度模式及其速率。

为了了解恒星的演化途径，我们先来介绍著名的赫罗图。赫罗图是恒星光谱型和光度的关系图。它不仅能给出各类恒星的特定位置，而且还能显示出它们的演化过程。恒星演化的研究便是从赫罗图开始的。

1911年赫茨普龙测定了几个银河系星图中恒星的光度和颜色。1913年，罗素也研究了恒星的光度与光谱。它们画成图后发现了一定的对应关系。后来这类表示光度—颜色的图叫赫罗图。

赫罗图中恒星的光度为纵坐标，以光谱型为横坐标，测定了每一颗星的光谱型和绝对星等后，就在图上画出一个点。把各种不同的恒星的坐标点画出后，可以发现恒星的分布具有一定的规律性。沿左上方到右下方对角线的连线上，点子多而密集，表明温度高的星光度强，温度降低光度减弱。左下方也有一个较密集的区域，这里的星温度高，呈蓝白色，颗光度弱、体积小，叫白矮星。右侧也有一个密集区这些星光度大，温度低。光度大，说明体积大，是巨星。巨星上方为超巨星。由于光度和表面温度存在着内在的关系，那么，恒星的结构、质量和化学成分都有一定的关系。如果已知化学成分，每一恒星便会对应一定的光度和温度，在赫罗图上便会出现相应的序列。同样质量范围内的恒星，如果在图上的不同序列，则必然是化学成分不同。化学成分不同，有可能是原始成分不同，也可能是恒星处在不同的演化阶段。

超巨星

赫罗图非常形象地描绘出了恒星的演化途径。一开始形成太阳的原太阳星云由于引力而收缩，这时表面温度没有变化，而体积变小，光度变暗，因此在赫罗图中由上往下移动；随着内部温度增加并传递到表面，开始由右往左行进，到达主序星阶段。从星云收缩到抵达主星序位置，这一时期对元素合成没有什么作用。

恒星中氢燃烧而发光的核聚变过程

太阳内部再收缩而温度达1000万K时，开始发生氢核转变为氦核的聚变反应。太阳在这一阶段，正处于赫罗图上的主星序的中部。太阳每秒钟要烧掉6亿吨的氢，但太阳内部蕴含着丰富的氢。已知太阳质量为2×10³⁰千克，其中约75%为氢，例如一颗质量相当于10个太阳的星，氢的燃烧的时间只有几千万年。而质量为0.1个太阳的星燃烧速率慢，却可以在这一阶段停留上万亿年。

太阳

当氢燃烧完全后，恒星中心部分的主要成分变为氦。由于中心部分缺少了能源而使其进一步收缩，导致温度和密度增加。当温度增加到1亿K时，氦的燃烧反应发生。从而导致了恒星表层急剧膨胀，体积增大。这时光度得到提高，而表面温度下降，恒星离开主星序区往右移动，到达红巨星区。像太阳这样的恒星大概能在红巨星阶段停留10亿年左右。

氦燃烧完以后，恒星内部的主要成分变成了碳，又引发引力收缩，导致内部温度继续升高。当温度达到6亿K时，碳开始燃烧，太阳能在这一阶段保持1万年左右。然后继续收缩，温度继续升高，点燃更重的元素，反应速率越来越快，直到全部转化为核结合成能量高的铁为止。这时恒星内部的温度可以达到60亿K，而辐射出极强的中微子流，致使能量流失，最后恒星发生坍缩。这一阶段的恒星的温度不断升高，但其体积变化不定，表现为光度的变化，在赫罗图上由红巨星区往左移动。

恒星后期的演化——白矮星

恒星变化的最终形式和其质量有很大关系。质量在1.5个太阳以下的恒星，它们最终变为白矮星，因此人们形象地称白矮星为小质量恒星的坟场。这种星的体积很小，但密度却是水的几万倍，甚至达上亿倍。此外，它们的温度极高，因此像太阳这样的恒星往赫罗图的左下方移动，最后变成了一颗体积小、温度高的白矮星。这种星对元素合成不起作用，而且在到达白矮星区之前的聚变反应所产生的重元素会保留在星的内部。因此质量小的恒星对宇宙中元素的起源没有作用。只有质量相当于1.5个太阳以上的恒星，对宇宙中元素的合成才起着重要的作用。