一變四,四變十二,宇宙演化永恆真理

一變四,四變十二,宇宙演化永恆真理
Photo Credit: Reuters / 達志影像

我們想讓你知道的是

超新星爆發之中,所有合成過的元素都會被光分解成氫,然後又在極高溫度裡再次重複核反應,合成宇宙中可以自然找到的所有元素。

一變四
四變十二
來到這禮拜更加諷刺

容祖兒 《16號愛人》(作詞:黃偉文)

作為科學家,我並不相信報應,但我相信物理上的因果。除了生物學上的病毒傳染會「一變四、四變十二」,天文學上亦有「一變四、四變十二」,而且這個過程更直接影響地球上的生命,甚至整個宇宙的演化。

恆星是一個巨大的煉金術熔爐。構成恆星的元素,絕大部分是氫(原子量為1)。由於恆星自身的重力,恆星裡的氫會互相擠壓。好像擠壓一個氣球一樣,壓力和溫度會上升。當溫度提昇至約1,500萬度,氫原子核就能夠突破彼此的電磁斥力,透過量子穿隧效應結合在一起。

在這個溫度下最的過程是「質子-質子連鎖反應」(氫原子核其實就是一個質子)。簡單來說,就是四個氫結合成一個氦(原子量為4)。

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Photo Credit: Borb, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
質子-質子連鎖反應。

一變四

不過要注意的是,這個過程並非一步登天。事實上,首先兩對氫核各自結合成氘(氫的同位素),然後這兩個氘再各自與一個氫結合成氚(氫的另一款同位素)。最後,這兩個氚結合成氦,並同時放出兩個氫。這兩個氫能夠繼續連鎖反應。

不過,當太陽差不多用盡體內的氫元素,更多有趣的事情就會發生。其細節很複雜,如果我們只簡略說重點的話,大概就是首先因氫核不足,太陽核心的核反應放出的能量漸漸變少,重力開始將恆星中心壓縮。

本來太陽只有中心部分才會發生核反應,但恆星外圍的氫亦因壓力和溫度增加,亦開始發生核反應,因此恆星中心會向內壓縮,外圍卻會膨脹。這時,太陽就進入所謂的紅巨星階段,尺寸變得比地球軌道更大,因此地球要不是被燒得灰飛煙滅,就是因太陽重力場改變而向外移動。無論如何,因太陽變得非常熱,地球海洋會完全蒸發,所有生物都難逃一死。

扯遠了。回來討論太陽中心的核反應。因體積變小,溫度和壓力再次提高,直至點燃另外一個核反應「碳循環連鎖反應」。碳循環連鎖反應亦是把氫結合成氦的連鎖反應,只不過這次需要一個碳原子核幫手——太陽內部只有微量的碳,來自前一兩代的恆星殘骸,不過已經足夠了。

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Photo Credit: Borb, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
碳循環連鎖反應。

質子–質子連鎖反應的效率正比於溫度的4次方,而碳循環連鎖反應的效率則正比於溫度的16次方。這個恐怖的數字顯示,太陽裡的核反應將會失控地加速,核反應所產生的能量根本來不及散失到太空之中,因為一個光子要從太陽中心走到太陽表面需時以百萬年計。

這意味著,太陽中心溫度將不斷提高。當溫度達到1億度,另一個核反應「三氦核連鎖反應」就會接手,將三個氦結合成一個碳(原子量為12)。

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Photo Credit: Borb, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
三氦核連鎖反應。

四變十二

三氦核連鎖反應由兩個步驟組成:先由兩個氦結合成一個鈹,然後這個鈹再跟一個氦結合成一個碳。三氦核連鎖反應的效率正比於溫度的40次方。

太陽中心的溫度將不斷提高,逐步點燃其他的核反應。加上各種不穩定同位素的核衰變反應,太陽共可合成80種元素。太陽能夠合成的最重元素是釙。

比太陽更重的恆星,有可能合成更重的元素,直至所有比鐵輕的元素都合成鐵了,恆星中心就會變成一顆鐵球。由於鐵的核結合能——即每個核子(質子和中子)結合時釋放了的能量——是所有元素之中最高的,結合鐵需要輸入能量而非放出能量。因此恆星中心的核反應會停止,沒有壓力[1]能夠抵抗重力,中心會急速向內坍塌,然後反彈,造成超新星爆發(II型超新星)。整個過程不足一秒。

超新星爆發之中,所有合成過的元素都會被光分解成氫,然後又在極高溫度裡再次重複核反應,合成宇宙中可以自然找到的所有元素。地球上的生命需要的各種元素,大都來自於超新星爆發[2]。而恆星以至星系的演化過程,又受各種元素的比例所影響。因此,整個宇宙的演化,都取決於主宰這些核反應的物理定律。

一變四,四變十二,宇宙演化永恆真理。

註釋:

  1. 事實上,簡併壓力會再抵擋重力一段時間,不過要解釋的話就過於離題,有興趣的讀者可參考《星海璇璣》第五章第三節「恆星的死亡筆記」,或我的文章《恆星的死亡筆記》。
  2. 2017年,人類觀察到首個來自雙中子星結合所釋放的重力波。近年研究發現,許多以往被認為源自超新星爆發的重元素——例如金,比較可能是來自於這類雙中子星結合事件的。可參考LIGO網頁的解說

本文獲授權轉載,題目由編輯稍作修改,原文見作者網頁

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責任編輯︰Alex
核稿編輯︰朱家儀


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