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恒星核聚變為何到鐵元素就停止了?比鐵更重的元素是怎麽產生的?

2024-06-14科學

簡單講,鐵元素之後,核聚變並不一定會徹底停止,質素更大的恒星會把鐵聚變成更重的元素。但此時的核聚變與我們平時所說的核聚變已經有很大不同,鐵元素之前的核聚變都會釋放能量,但鐵元素之後的聚變不但不能釋放能量,反而需要吸收能量。

這也是為什麽一旦聚變到鐵元素之後,就宣告了恒星的死亡,畢竟我們通常會認為只有釋放能量的核聚變才是恒星應該幹的事。

那麽,為什麽鐵元素之後的核聚變會吸收能量而不會釋放能量呢?因為鐵最穩定,具體來講就是鐵的比結合能最高。

什麽是比結合能呢?我們需要先了解一下什麽是結合能。

簡單理解,結合能就是兩個核子結合在一起的能量,兩個核子透過強核力結合在一起,如果想把它們分開,需要很大的能量,這個能量就是結合能。

而比結合能就是結合能與核子數的比值,相當於人均GDP與GDP的關系。

鐵元素的比結合能最高,說明鐵元素最穩定。而萬物總是傾向於向穩定的方向發展,所以想要在鐵元素裏加更多的核子讓其變成更重要的元素就非常困難,需要極大的能量才可以做到。

如何才能做到呢?

首先,我們需要明白恒星為何能持續發光發熱數十億年,為何能一直進行核聚變。主要在於兩種力量的平衡。

第一種力量,恒星自身產生的重力,朝向恒星核心方向的重力。第二種力量,恒星核聚變產生的巨大外推力。這兩種力量方向正好相反,達到完美的平衡,所以恒星才能持續燃燒下去。

一旦某個力量的強度發生變化,這種平衡就會被打破,也就宣告恒星末日的來臨。

事實上,恒星的末日終究會來臨的,只是時間早晚的問題。因為隨著恒星持續核聚變,燃料會一點點減少,核聚變產生的外推力也會變小。直到核聚變到鐵元素之後,不但不釋放能量了,反而需要吸收能量,恒星內部的平衡就會徹底被打破。

核聚變的停止意味著恒星自身的重力開始占據絕對上風,平衡被徹底打破,恒星物質開始像「瘋子」一樣急劇向內塌縮,不斷撞擊恒星的內核,這個過程給內核帶來了巨的能量,足以讓核心的鐵元素吸收能量繼續發生聚變,聚變成更重的元素。

同時,恒星物質撞擊內核也會產生巨大的反作用力,把恒星外層物質猛烈拋灑到浩瀚星際空間,只留下致密的內核,這就是超新星爆發。

超新星爆發堪稱最猛烈的宇宙事件,僅次於宇宙大爆炸的超級事件。超新星爆發瞬間能產生超乎想象的能量,短短幾秒鐘產生的能量比太陽一生釋放的能量還要多數百倍!

如此巨大的能量足以讓鐵不斷聚變成更重的元素,比如說如今我們看到的金銀等重元素,基本上都是超新星爆發的產物。

超新星爆發留下來的致密內核最終會形成中子星甚至黑洞,這取決於恒星質素大小,一般情況下達到8倍太陽質素的恒星最終會塌縮為黑洞。

超新星爆發過程拋灑到星際空間的物質會成為下一代恒星和行星的原材料,我們的太陽就是超新星爆發後的星際雲形成的,太陽已經是第三代恒星了。

除了超新星爆發之外,中子星碰撞同樣能產生超乎想象的能量,足以聚變成比鐵更重的元素。

總之,恒星一旦「鐵」了心,就意味著死亡,所以,鐵元素也被稱為「恒星殺手」。恒星的死亡過程很悲壯,也很淒涼。

但我們更要感謝恒星的死亡,因為恒星的死亡同時也意味著新生,恒星死亡的過程會引發猛烈的超新星爆發,爆發的過程把各種元素拋灑到浩瀚星際空間,成為孕育新的恒星行星的原材料,同時也是孕育生命的原材料。

如果沒有超新星爆發,就不會有我們的太陽系,更不會有地球和人類!