太陽異常缺失元素鋰,在太陽之前還有其他恆星
有一個老笑話這麼說,天體物理學的元素周期表由三種東西組成:氫、氦和金屬。原因是氫和氦構成了宇宙大約98%的原子。元素周期表中從3號元素鋰開始一直往下,這些所有元素只佔2%的原子。在宇宙層面而言,這些「金屬」只是這個富含氫氦的宇宙中的微量元素。
氫和氦之所以佔主導地位,是因為在宇宙大爆炸約三分鐘之後開始的核合成時期。這個時期持續了約17分鐘,在此期間,宇宙中的所有原始原子就此產生。大約92%的這些原子(數量)是氫,還有約8%的氦。諸如氧和鐵等其他元素並不是在這一時期形成,它們都是在後來的早期恆星的核心之中形成,正因如此,卡爾·薩根(Carl Sagan)提出了這樣的著名論斷:我們都是星塵。
元素周期表
在核合成時期,也產生了極少量的鋰——大約每十億個氫或氦原子中有一個鋰原子。實際上,我們可以利用這一點來了解恆星。例如,太陽大氣層中的每1000億個原子中只有1鋰原子,這隻有理論數量的1%左右。那麼,到底發生了什麼?失蹤的鋰去哪裡了?
這個答案與恆星產生新原子的方式有關。在恆星的核心,氫原子是融合形成氦原子,並釋放出能量。原子的原子核(由質子和中子構成)通過核力束縛在一起,克服這種作用力所需的能量就被稱之為結合能(或可以描述為把質子和中子結合成原子核所釋放出的能量)。由於氦的結合能高於氫,所以氫通過核聚變產生氦會釋放出能量。這也適用於其他元素:氦到碳、氮和氧、直至鐵。鐵結合能最高,所以融合鐵之上的元素實際上是會吸收能量。
在下圖中,我們作出了不同元素的結合能示意圖。可以看到,結合能在鐵的位置達到極大值。還可以看到,曲線上存在結合能下降的區域,而鋰就在其中。這意味著,儘管許多原子在融合時可以釋放出能量,但鋰卻會造成能量損失。結果,產生諸如氧和鐵等較重原子的過程也會減少鋰的數量。基本上,一些鋰在產生重元素的過程中被消耗掉了。
元素的結合能關係圖
由於太陽大氣中的鋰含量比預期少,所以太陽肯定是在曾經是一顆恆星核心的材料中形成。這意味著我們的太陽並不是宇宙中的第一批恆星,而是形成於早期恆星的殘骸之中。鑒於缺失的鋰和其他證據,我們的太陽似乎是第三代恆星。這意味著意味著我們的太陽是宇宙第一批恆星的孫子。在太陽形成之前,已存在有兩代恆星。
不只是我們,就連我們的太陽都是星塵。
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