天文學家首次發現宇宙核裂變的跡象

看到標題 你可能會覺得很意外 核裂變不是很普遍嗎 連人類都掌握了這個舊技術 爲啥在宇宙中還首次觀測到呢 其實在宇宙中最普遍的是恆星的核聚變 而第一個等級核反應核裂變 反而是極其少見的 核裂變是指重元素分裂成更輕的元素 同時釋放出巨大的能量 我們地球上的核電站 就是利用核裂變來發電的 但是你可能不知道的是 核裂變不僅僅發生在地球上 它還發生在星際間 而且它還能創造出 我們真愛的金子等重元素 這聽起來是不是很神奇呢 今天我就要給你講講 科學家們是如何發現星際間的核裂變的 以及它和我們的生活有什麼關係 要介紹宇宙中的核裂變 就要先講講中子星 中子星是一種非常特殊的恆星 它是在巨大的恆星死亡的時候產生的 當一個恆星的質量超過太陽的八倍 它就會在燃燒完所有的燃料後 發生一次劇烈的爆炸 叫做超新星爆發 超新星爆發會把恆星的外層物質 拋射到宇宙空間 而恆星的核心則會塌縮成一個 非常小而密的球體 這就是中子星 中子星的質量大約是太陽的一到兩倍 但是它的直徑只有大約20公里 相當於一個小城市的大小 中子星的密度是如此之高 以至於如果你把一湯匙的 中子星物質帶到地球上 它的重量就會超過10億噸 中子星的表面溫度也非常高 大約有100萬攝氏度 中子星的名字是因爲 它主要由中子構成的 中子是一種沒有電荷的粒子 它和質子一起組成了原子核 在中子星的極端壓力下 電子和質子被迫結合 形成了一個巨大的中子海 中子星雖然很奇特 但是它們並不孤單 有時候它們會和其他的恆星 形成雙星系統 互相圍繞着旋轉 這些雙星系統中有一種特殊的情況 就是兩顆中子星相互繞行 這種情況非常罕見 但是也非常有趣 因爲當兩顆中子星相互繞行時 它們會不斷地向外發射一種 叫做引力波的能量 引力波是一種時空的波動 它是由質量和加速度產生的 引力波的存在 是愛因斯坦在1916年提出的 廣義相對論的一個重要語言 但是直到2015年 人類才首次探測到了引力波的信號 引力波的發現 是物理學史上的一個里程碑 它爲我們揭示了宇宙的奧祕 開闢了一個新的觀測窗口 當兩顆中子星發射引力波時 它們會失去一部分的角動量 也就是旋轉的動力 這樣它們就會逐漸靠近 直到最終相撞併合並 這種中子星的碰撞和合並 叫做中子星合併事件 它是宇宙中最激烈的現象之一 在中子星合併的過程中 會釋放出巨大的能量 形成一個短暫的火球 叫做Kilonova Kilonova的亮度 可以達到一個星系的亮度 而且它還會發出 各種各樣的電磁輻射 包括伽馬射線 X射線 可見光 無線電波等 這些電磁輻射 可以被地球上的望遠鏡捕捉到 從而讓我們知道 事實上 2017年 人類就首次觀測到了一次 中子星合併事件 它被命名爲GW170817 這次事件 不僅是引力波探測的一個重大突破 也是多信使天文學的一個典範 多信使天文學 是指利用不同的信號 如引力波 電磁輻射 中微子等 來觀測同一個天文現象 從而獲得更多的信息和認識 好了 前面囉嗦了半天 那中子星合併和核裂變 有什麼關係呢 原來 中子星合併不僅會產生 強烈的光和熱 還會產生一些我們熟悉的元素 比如 金 銀 鉢 鈾等 這些元素 都是比鐵更重的元素 它們在週期表上的位置 都在鐵的右邊 我們知道 鐵是一種非常穩定的元素 它的原子核是由26個質子 和30箇中子組成的 在恆星的內部 氫元素會通過核聚變的方式 不斷地形成更重的元素 同時釋放出能量 維持恆星的平衡 核聚變 是指氫元素的原子核相互碰撞 形成更重的原子核的過程 例如 氫的原子核可以聚變成鑰的原子核 鑰的原子核可以聚變成碳的原子核 以此類推 直到形成鐵的原子核 但是 當恆星形成了鐵的原子核後 核聚變就會停止 因爲鐵的原子核 已經是最穩定的了 再想形成更重的元素 就需要輸入能量 而不是釋放能量 這樣 恆星就會失去了支撐它的能量 從而塌縮和爆炸 所以 鐵是恆星核聚變的終點 也是恆星死亡的標誌 那麼 比鐵更重的元素是怎麼形成的呢 它們是在恆星死亡的時候 或者在中子星合併的時候 通過一種叫做快速中子俘獲 或二過程的方式形成的 二過程是指原子核 快速地吸收大量的自由中子 從而增加自己的質量和原子敘述的過程 例如 鐵的原子核可以吸收一箇中子 變成鈷的原子核 再吸收一箇中子 變成鎳的原子核 以此類推 直到形成一些非常重的元素 比如 鈾 鉢 方等 這些元素它們的原子質量都超過260 這些元素由於太重了 所以非常不穩定 它們會很快地分裂成更輕的元素 同時釋放出能量和輻射 這種分裂的過程就是核裂變 核裂變是指重元素的原子核 分裂成兩個或多個更輕的原子核的過程 例如 鈾的原子核可以分裂成鈍和鋼的原子核 同時釋放出三個中子和一些能量 核裂變的能量 是由於智能方程義等於MC的平方的原理 也就是說 分裂後的原子核的質量 比分裂前的原子核的質量要小一些 而這些質量的差值 就轉化成了能量 核裂變的能量是非常巨大的 它可以用來發電 也可以用來製造核武器 核裂變的輻射 是由於分裂後的原子核 通常還是不穩定的 它們會繼續發生衰變 變成更穩定的原子核 同時發射出一些粒子和電磁波 核裂變的輻射是非常危險的 它可以造成生物的突變和死亡 也可以造成環境的污染和破壞 所以核裂變是一把雙刃劍 它既可以帶來利益 也可以帶來災難 核裂變是一種我們在地球上很熟悉的現象 但是它在宇宙中是否也存在呢 這是一個長期困擾科學家們的問題 人們一直認爲核裂變在宇宙中發生 但是一直沒有確鑿的證據 直到最近 一些科學家們通過對恆星中的元素進行分析 發現了核裂變在宇宙中運作的第一個證據 這些科學家們 是由北卡羅萊納州立大學的 伊恩·羅德勒領導的一個研究團隊 他們搜索了關於恆星中一系列元素的數據 發現了一些非常有趣的現象 他們發現 一些恆星中有兩組元素的含量 呈現出一種非常明顯的相關性 這兩組元素分別是 氫金鎂金屬 魯銀和錫土核 魯友 當這些恆星中一組元素的含量增加時 另一組元素的含量也會增加 反之亦然 這種相關性是非常罕見的 它意味着這兩組元素是由同一個過程產生的 那麼這個過程是什麼呢 經過仔細的計算和推理 科學家們得出了一個驚人的答案 這個過程就是核裂變 爲了理解這個答案 我們需要回到中子星合併的場景 我們已經知道 中子星合併會產生一些超重元素 通過R過程 這些超重元素由於太重了 所以非常不穩定 它們會很快地通過核裂變分裂成更輕的元素 這些核裂變會產生一些裂變碎片 也就是分裂後的原子核 這些裂變碎片有一些是氫晶祕金屬 有一些是稀土核 這就解釋了 爲什麼這兩組元素的含量會呈現出相關性 這也證明了 核裂變確實在宇宙中發生 而且是在中子星合併的時候發生 這個發現是非常深刻的 它不僅證實了科學家們幾年前提出的理論 也爲我們揭示了宇宙中重元素的來源之謎 你可能會問 這個發現和我們的生活有什麼關係呢 其實這個發現和我們的生活有着密切的聯繫 因爲我們身邊的一些重元素 比如金 銀 鉢等 都是由中子星合併產生的 這些元素不僅是我們的珍寶 也是我們的見證 它們見證了宇宙的歷史 它們見證了恆星的死亡 它們見證了中子星的合併 它們見證了核裂變的奇蹟 每當你看到你的金戒指 或者你的銀項鍊 或者你的薄手錶 你就可以想象一下 它們曾經是宇宙中最激烈的現象的產物 它們曾經是超重元素的裂變碎片 它們曾經是中子星的一部分 這樣的想象 是不是讓你覺得 你和宇宙有了一種更深的聯繫呢 這就是今天要跟你講的故事 關於星際間的核裂變 以及它和我們的關係 希望你能從中學到一些有趣的知識 也能感受到宇宙的奧妙和美麗 如果你對這個話題有任何問題或想法 歡迎在評論區留言 我會盡力回答你 謝謝你的收看 下次再見