它只佔宇宙的0.0025％但卻主宰了地球

知識 08-17

為了創造一顆充滿生命的岩石行星，宇宙需要製造大量的重元素。想要產生錫、碘、硒、鉬、鋅和銅等元素，需要銀河系在過去多次出現超新星爆發。為了產生鐵、鈣、鈷、硫和鉀等元素，需要質量足夠大的恆星來製造它們。

然而，宇宙誕生的時候幾乎只有氫和氦兩種元素。如果當時宇宙就只有這兩種元素，那就不可能產生比太陽質量大三倍的恆星。這樣，重元素無法產生，更不會有後來的地球與生命。然而，早期宇宙中的一個微小缺陷使恆星質量得以成長到太陽的數百倍，這是今天我們可以存在的唯一原因。

正因為這些大質量恆星的出現，才有了今天我們所知的宇宙。在像我們太陽這樣的恆星中，中心區域達到足夠高的溫度，使氫聚變成成氦，直到中心的氫元素耗盡。此後，太陽的核心將會坍縮，使溫度升高至足以把氦聚變成碳，以及痕量的其他元素。

當氦元素耗盡時，太陽將到達生命的終點，它無法再聚變更重的元素。若要進一步聚變，需要至少太陽質量8倍的恆星。正是那些大質量恆星在生命終結時爆發成超新星，才有足夠高的能量來製造重元素，然後擴散到宇宙中。

在大多數類似於銀河系大小(直徑約10萬光年)的星系中，每個世紀都會出現多個超新星，表明這些大質量恆星在宇宙中很常見。事實上，無論在宇宙何處出現恆星大爆發，即使是第一次，也會產生諸多質量足夠大的恆星來製造這些重元素。

然而，如果宇宙只有普通的氫和氦兩種元素(其中氫由一個質子組成，氦由兩個質子和兩個中子組成)，這將產生一個巨大的問題：氫核聚變開始於大約4,000,000 K的溫度(K = ℃ + 273.15)，這需要至少1.6×10^29 kg的質量坍縮成一顆恆星。由於質量巨大，原恆星將迅速坍縮，在短時間內加熱到聚變溫度，並向外釋放出很強的輻射壓，這將會推開原本被吸引的氣體元素，從而阻止恆星進一步生長。最終只能形成質量大約為太陽3倍的恆星，而產生地球與生命所需的大質量恆星將無法形成。

幸運的是，宇宙自誕生之初起，還存在其他成分，它們使得大質量恆星的出現成為可能。這種額外的成分就是氫的重同位素：氘，它由一個質子和一個中子組成。當氘和正常的氫核同時存在時，只需1,000,000 K的溫度就能把它們聚變成氦-3，同時產生相對較弱的輻射壓。這是原恆星中發生的最初核反應，它把核心向外推，使溫度上升的速度遠慢於只有氫的情況。

即使只有少量的氘——少於原恆星質量的0.01%，也可以把溫度升高至啟動氫核聚變的時間推遲數千萬年。從而使恆星有足夠的時間聚集更多的原料，來形成數十倍甚至上百倍太陽質量的恆星。