为什么宇宙中铁元素的含量比很多元素低呢?

为什么宇宙中铁元素的含量比很多元素低呢?

详解恒星演化各方向以解释题主的“美好”想象有多么的……不实际。(前面的铺陈有点多,想看结论的朋友可以转至结尾)

铁的比结合能是所有元素中最高的,但它好歹也不是个轻元素。

就像世界上最多的动物永远不会是老虎大象,是昆虫,是鼠,是鸡。

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先详解一下铁的稳定性吧

在它前面,锰铬钒……直到锂氦氢是递减的,在它后面钴镍铜……直到铀钚也是递减的,所以它最高。

题主肯定知道,核裂变是剧烈放能反应,核聚变也是剧烈放能反应……既然都放能,那反复聚变裂变岂不成无尽能源了?

因为聚变和裂变放能的对象是有限制的。

原子核是核子凭借核力结合在一起构成的,要把它们分开,也需要能量,这就是原子核的结合能。

自然,组成原子核的核子越多,它的结合能就越高。因此,有意义的是它的结合能与核子数之比,称做比结合能,也叫平均结合能。比结合能越大,原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定。

所以,可以说铁是所有元素中最为稳定的一个。铁元素之前,聚变放能,裂变吸能,之后则完全反过来。

现在就很明确了。轻元素想聚变合成铁是放能的,重元素想裂变变成铁也是,相对较容易实现。

反过来,铁裂变,聚变都是吸能的,就没那么容易实现了。

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但现在的问题是,给你一团氢气,你能把它压成铁吗?

现在实现人工氘氚聚变都那么困难,遑论合成金属元素?

题主说氢氦多可以理解,没问题,但你质疑碳氧就不对了。碳氧有什么错呢?同样是易合成的轻元素为什么题主就对它俩意见这么大呢?

宇宙里铁的丰度还是远不及氢氦碳氧氖这些轻元素的,铁是聚变终点的产物,但毕竟聚变也不是什么自发反应,还是要特高温高压的条件的,而且越到后期条件越苛刻。就像燃烧也要引燃物。铁确实稳定,但就像金字塔总比一堆乱石稳定的多吧?用乱石码成金字塔是多大的工程?

原始形态的弥散星云在引力作用下聚拢成为恒星。但恒星的形态也多种多样。小于十分之一个太阳质量的恒星由于压力太小,难以发生聚变,通常不发出显眼的光,称为褐矮星。

质量大于褐矮星,又大致小于0.8个太阳的恒星,体积较小,压力较小,能发生聚变但不剧烈,通常呈现红色,称作红矮星。比如比邻星——《三体》里的半人马座三星,就是典型的红矮星。红矮星数量很多,质量较小,寿命极长,主要发生氦聚变,连碳聚变都很少见。红矮星的演化末期,外层物质以星云形式抛洒到星际空间,内层收缩为不发生聚变的电子简并态白矮星。白矮星寿命更加长,不聚变,但也会逸出能量,最终会变成预言(因为白矮星寿命过长,终点态还没出现)中的终点天体——黑矮星。

像太阳这样的黄矮星,旺盛期能在氢(H)氦(He)之间聚变,极少量副产物有锂(Li)铍(Be)硼(B)。但它也根本产生不了什么恐怖的宇宙级条件,太阳内内外外绝大部分的温度还没有地球上一次核爆上限来的高。想要冶铁,再努力也没有资格。

当它的氦聚变快要结束,氢燃料油尽灯枯的时候,它将有望成为一颗红巨星,甚至红超巨星,体积急剧膨胀,开始大规模的碳聚变,少量副产物有氮(N)氧(O)氖(Ne)等。看到了没有,这才轮到碳(C)。

碳聚变的尾声,会较多地出现氧(O)硅(Si)之类的副产物,但也仅此而已了,到此为止了。一颗普通恒星就此死亡,外层散逸成星云,内核和红矮星一样坍缩成白矮星之类的。值得一提的是,膨涨极为猛烈的红巨星,核心在聚变最剧烈时有望进行到长周期元素,甚至是放能聚变终点——铁。但这样的恒星不过沧海一粟,这种状态的持续时间和它悠长的寿命比起来也是昙花一现。

而且,聚变也不是写好一个程序它就执行下去。主反应的同时会有很多副反应,而大多数元素的合成仅仅是因为这些副反应。甚至大量聚变的时候也会有裂变发生。

只有那些数量极为稀少,体量巨大的蓝巨星,质量通常是太阳的数倍甚至八倍以上。(是的,太阳的质量在恒星中算得上比较靠前的了)它的演化终点才会出现红特超巨星,甚至中子星,黑洞(黑洞也有能力进行核反应!)才有资格大量制造重金属。而恒星一旦异变成这类星体,它的各项物理参数会成千上万倍暴涨,各类常规手段根本得不到的元素甚至超越原子状态的物质都能随机合成。

具体情况是怎样的呢?超新星爆发中比较常见的有la型和ll型。发生la型的恒星质量至少要达到约1.44倍的太阳质量,而且还要注意的是,这里的恒星往往是白矮星(白矮星质量没这么大,通常是白矮双星在吸积作用下其一转而质量增加),也就是恒星演化终点已经丢失了部分质量后的状态。ll型是更为标准的爆发,只有质量达到约8个太阳的恒星才会发生。

但是,问题随之而来。宇宙中质量超过太阳的恒星远少于质量低于太阳的恒星,而且毫无疑问的质量越大越少。每颗能发生ll型爆发的恒星,数量比上能对应成千上万颗不能达到这种状态的恒星。

问题不仅在于数量上,恒星在进入中子星甚至黑洞状态后,就走入了另一个极端,进行的反应超越了原子尺度!如中子星,甚至黑洞,完全就没有原子结构,很难对外界抛射可观的重元素。

超新星……体量巨大的恒星才有资格出现的状态,红特超巨星即将坍缩成中子星前,外层物质剧烈抛射并反应……举个例子,如果我们的某颗系外恒星来个超新星爆发,能把地球的夜空照得透亮。近点的,伽马射线一快速爆发……毁灭人类都不在话下。

中子星是什么概念呢……表面绝对光滑,质子和电子都被紧压在一起合成中子。质量与普通恒星处于同一量级,但通常直径只有几千米十几千米,在天文尺度上非常小,但各项物理参数十分恐怖。中子星表面温度能达到1000万K,是黄矮星太阳的近万倍。拥有恒星级别的质量却能每秒自旋几千圈。引力强度更是仅次于黑洞(夸克星没有证实)。若把一个人从一天文单位处释放,不考虑温度,他撞击在中子星表面的动能能超过人类目前任何一次核爆。假设一下,在地球上要是出现拳头那么大一颗(假设存在的话,实际上不会这么小),地球就该废了。

黑洞……不必多说。天体自身半径小于引力的史瓦西半径的究极形态。引力的怪物,超越很多已知物理规则的事物。

聚变不是什么星火燎原的自发反应,条件苛刻。氦聚变最为普遍。多数体量小的恒星以碳氧聚变为终点,最终冷却。产生三周期后的元素只能仰仗少数大体量恒星的终点状态,但大体量恒星终点又走向另一个极端,物理参数指数暴涨,反应状态超越了核反应,又不再大量聚变了。唯有在超新星爆发之类的极短暂过渡期才有可观重元素产生。

同时,聚变不是什么可以随意相加的加法。恒星聚变往往循着几种特定的反应式进行。这也促成了碳氧氖镁等几种元素几家独大。绝大多数元素仅仅是副反应的副产物。

所以铁的合成条件还是蛮苛刻的。珍惜它们吧。当然,真金白银更是这样,你要知道那都是上古超新星或中子星的残骸。

所以,对于男生,面对你的女朋友时,完全有比赠送染色体更节操的告白和比你若安好更缠绵的情话。和我在一起吧,毕竟在那片创世的星云里,你我曾那么紧密地相贴在一起。(针对大爆炸理论)