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氫離子遇上氦原子,會擦出什么樣的火花?

近日,宇宙中最早的化學鍵刷屏了。《自然》雜志上發表的一項天文學成果指出,科學家首次在太空中檢測到了氦合氫離子(HeH+)。這個由宇宙中最簡單的兩種元素構成的分子離子讓人們關注化學過程是如何發源的,也引發了人們關于元素起源的好奇心。

“我們都是星塵。”科普作家卡爾·薩根曾說。我們本身和賴以生存的物質世界都是由各種各樣的元素構成,那么這些元素從哪里來?宇宙最早期的元素們經歷了什么?它們的“成長歷程”又帶來怎樣的神奇反應?

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宇宙漸冷 輕核誕生于碰撞

“元素并非與宇宙同時誕生,而是在宇宙形成之后才出現的。” 中國科學院國家天文臺研究員陳學雷在接受科技日報記者采訪時表示。

宇宙是怎樣形成的?古往今來,科學家曾運用想象、假設、計算、觀測等無數手段去探尋這個終極奧秘。

廣為接受的大爆炸宇宙學認為宇宙是在不斷膨脹的,最初很可能起源于一個致密熾熱的奇點,這就像一次大爆炸。近140億年來,宇宙中的物質密度從密變稀,溫度由熱變冷。

通常認為,宇宙從爆炸之后的10-43秒開始膨脹;直到10-4秒前,宇宙氣體還只是由夸克、輕子、規范粒子等這些基本粒子組成;約在10-4秒時,宇宙介質中完成了從夸克到強子的相變,此后的宇宙氣體才有了質子和中子;3—30分鐘時,原始的核合成發生,氫原子、氦原子相繼出現,宇宙中才開始有了化學元素。

“宇宙中最早出現的元素為氫元素。氣體中的一個質子和一個中子可通過熱碰撞發生核反應,結合成氫的同位素氘核,并釋放出2.2MeV的能量,該能量也稱氘核的結合能。”陳學雷指出,這一反應是可逆的,即宇宙中大于2.2MeV能量的光子可使氘核分解。因此宇宙大爆炸伊始、溫度很高時,光子的能量也很高,核化學平衡下的氘核就會“散掉”,其豐度非常低,人們理解為那時氘核合成尚未開始。

當宇宙溫度隨著時間的推移下降時,氘核的豐度逐漸增加,氘核與其他質子或中子碰撞,緊接著便形成了原子量為3的同位素核氚和3He,后續再由它們進一步產生了原子量為4的氦核。

氦原子核的積累較多時還會再合成原子序數更大的核,如鋰、鈹、硼,而后粒子的熱運動已經不足以再引起熱核反應,核合成過程至此告一段落。

“宇宙早期主要形成了氫和氦,分別占比約76%和24%,鋰、鈹、硼的含量極少。”陳學雷說。

眾所周知,原子通常為電中性,由原子核和電子構成。上述過程雖然形成了較多的氫核和氦核,但此時宇宙的溫度仍然較高,因此原子核和電子還沒有“配對”,雙方都處于電離狀態。待溫度進一步降低后,才“終成眷屬”,真正組合成氫原子或氦原子。

原子復合 分子離子只是“少數派”

這次,原子的形成順序與原子核的合成順序不同了。“氦原子會先于氫原子誕生。”陳學雷說。

原子核與電子復合成原子后,若電子想要逃離原子核的“魔爪”,就要吸收一定能量的光子,該能量值被稱為電離能。

氦原子的電離能大約為氫原子的2倍。電離能越高,意味著原子核對電子的“抓取”和“束縛”能力越強,因此氦核更早與自由電子復合成原子。大爆炸后十幾萬年時,氦原子開始出現了。

前文所述的研究發現即為一個氦原子和一個帶正電荷的氫核復合成氦合氫離子HeH+,而這種分子離子的形成時間就在這一階段——氦原子已經復合,氫核還未“捕獲”電子,以正離子形式存在。

“實際上,該分子離子的形成量應該很少。”在陳學雷看來,此時宇宙中粒子的密度有所下降,氦原子和氫離子的碰撞頻率很低,該反應并不頻繁,只是偶爾生成HeH+;此外,HeH+并不穩定,且當時宇宙中的光子數量遠遠高于原子或離子的數量,1個原子可能被十幾億個光子包圍,本就不多的反應產物HeH+也會因為光子的“摻和”而被分解掉大半。

再后來,大爆炸后約40萬年時,氫原子開始出現了。

當宇宙中彌漫著氫核、氦核等輕核素以及光子、自由電子的氣體時,宇宙是不透明的。陳學雷指出,光子很容易被自由電子散射掉。而當原子復合越來越普遍時,宇宙中“無主”的自由電子數目急劇下降,光子被散射的概率也降低了,宇宙中的氣體就像如今的空氣一樣變得透明了。“光子能順利向外傳播開來,形成現在我們能夠接收到的宇宙微波背景輻射。”

當宇宙中的氫、氦原子已經初具規模,如何產生更多、更重的原子?陳學雷指出,宇宙中的氫、氦原子、自由電子、光子等物質并不是完全均勻分布的。

有些密度較大的“氣體云”引力更大一些,便會吸引周圍的其他物質,從而密度越來越高,形成團塊。其內部的原子之間更易發生反應。有學者認為,氫分子在這一階段誕生了。

氣體團塊形成之后,引力的作用會讓它有向內收縮的趨勢,但由于其本身的壓強和溫度可與之抗衡,因此團塊能夠暫時保持平衡的狀態。

恒星演化 重元素“百花齊放”

什么情況下氣體團塊能夠進一步演化,最終形成恒星?

“團塊如果能夠通過熱輻射損失能量,就能使其內部壓力降低,從而打破這種微妙的平衡,不斷向內收縮,最后形成宇宙中的第一批恒星。”陳學雷說。

恒星內部極高的溫度和壓力為核反應提供了絕佳的場所。以氫、氦核為“原料”,更重的元素繼而合成,如碳、氮、氧、鐵等。而這些元素會在恒星末期的超新星爆發或出現星風現象時被拋射出來。混雜著重元素的氣體將成為下一批恒星形成的“火種”。

“第一批恒星的形成最不容易。”陳學雷告訴記者,氫、氦這兩種元素的電子躍遷所需的能量都比較高,電子難躍遷意味著能量無法輻射出去,團塊“冷”得慢,進一步向內收縮就會變得無比困難。而在第二批、第三批恒星形成時,電子躍遷能量較小的重元素“居功至偉”,它們的核外電子相對較活躍,易躍遷,能量輻射大、冷得快,有助于氣體密度較高的區域更加迅速地形成恒星。

“以上只是學界的觀點之一。”陳學雷說,“還有學者提出,早期氫分子都很難形成,只能等到宇宙中慢慢聚合成類似星系質量的超大質量團塊時,才能引起輻射散熱,形成第一代恒星,這樣的‘第一代’形成過程就更難了。”

總之,隨著時間的流逝,宇宙中的恒星越來越多,元素的種類也越來越多。可以想象,地球上逐漸有了水,水集聚成了海洋。海洋里慢慢形成了最簡單的生命,進而為魚,部分魚類上岸,進化成人類與其他各種陸生動植物。

科技發展、文明對話,地球在人類的改造下變成了今天的模樣。但燃料電池中的氫、霓虹燈管中的氦可以追溯到宇宙大爆炸,“生命之泉”水中的氧、身體中的碳、血液中的鐵皆來自于宇宙早期的核合成。沒錯,“我們都是星塵”。

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