宇宙中最早的化學(xué)鍵刷屏了。近日發(fā)表的一項(xiàng)天文學(xué)成果指出，科學(xué)家首次在太空中檢測(cè)到了氦合氫離子(HeH+)。這個(gè)由宇宙中最簡(jiǎn)單的兩種元素構(gòu)成的分子離子讓人們關(guān)注化學(xué)過(guò)程是如何發(fā)源的，也引發(fā)了人們關(guān)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(shuō)。我們本身和賴以生存的物質(zhì)世界都是由各種各樣的元素構(gòu)成，那么這些元素從哪里來(lái)?宇宙最早期的元素們經(jīng)歷了什么?它們的“成長(zhǎng)歷程”又帶來(lái)怎樣的神奇反應(yīng)?
宇宙漸冷 輕核誕生于碰撞
“元素并非與宇宙同時(shí)誕生，而是在宇宙形成之后才出現(xiàn)的。” 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員陳學(xué)雷表示。
宇宙是怎樣形成的?古往今來(lái)，科學(xué)家曾運(yùn)用想象、假設(shè)、計(jì)算、觀測(cè)等無(wú)數(shù)手段去探尋這個(gè)終極奧秘。
廣為接受的大爆炸宇宙學(xué)認(rèn)為宇宙是在不斷膨脹的，最初很可能起源于一個(gè)致密熾熱的奇點(diǎn)，這就像一次大爆炸。近140億年來(lái)，宇宙中的物質(zhì)密度從密變稀，溫度由熱變冷。
通常認(rèn)為，宇宙從爆炸之后的10-43秒開(kāi)始膨脹;直到10-4秒前，宇宙氣體還只是由夸克、輕子、規(guī)范粒子等這些基本粒子組成;約在10-4秒時(shí)，宇宙介質(zhì)中完成了從夸克到強(qiáng)子的相變，此后的宇宙氣體才有了質(zhì)子和中子;3—30分鐘時(shí)，原始的核合成發(fā)生，氫原子、氦原子相繼出現(xiàn)，宇宙中才開(kāi)始有了化學(xué)元素。
“宇宙中最早出現(xiàn)的元素為氫元素。氣體中的一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子可通過(guò)熱碰撞發(fā)生核反應(yīng)，結(jié)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(jié)合能。”陳學(xué)雷指出，這一反應(yīng)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(shí)，光子的能量也很高，核化學(xué)平衡下的氘核就會(huì)“散掉”，其豐度非常低，人們理解為那時(shí)氘核合成尚未開(kāi)始。
當(dāng)宇宙溫度隨著時(shí)間的推移下降時(shí)，氘核的豐度逐漸增加，氘核與其他質(zhì)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(xù)再由它們進(jìn)一步產(chǎn)生了原子量為4的氦核。
氦原子核的積累較多時(shí)還會(huì)再合成原子序數(shù)更大的核，如鋰、鈹、硼，而后粒子的熱運(yùn)動(dòng)已經(jīng)不足以再引起熱核反應(yīng)，核合成過(guò)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(xué)雷說(shuō)。
眾所周知，原子通常為電中性，由原子核和電子構(gòu)成。上述過(guò)程雖然形成了較多的氫核和氦核，但此時(shí)宇宙的溫度仍然較高，因此原子核和電子還沒(méi)有“配對(duì)”，雙方都處于電離狀態(tài)。待溫度進(jìn)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(fù)合 分子離子只是“少數(shù)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(huì)先于氫原子誕生。”陳學(xué)雷說(shuō)。
原子核與電子復(fù)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(duì)電子的“抓取”和“束縛”能力越強(qiáng)，因此氦核更早與自由電子復(fù)合成原子。大爆炸后十幾萬(wàn)年時(shí)，氦原子開(kāi)始出現(xiàn)了。
前文所述的研究發(fā)現(xiàn)即為一個(gè)氦原子和一個(gè)帶正電荷的氫核復(fù)合成氦合氫離子HeH+，而這種分子離子的形成時(shí)間就在這一階段——氦原子已經(jīng)復(fù)合，氫核還未“捕獲”電子，以正離子形式存在。
“實(shí)際上，該分子離子的形成量應(yīng)該很少。”在陳學(xué)雷看來(lái)，此時(shí)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(yīng)并不頻繁，只是偶爾生成HeH+;此外，HeH+并不穩(wěn)定，且當(dāng)時(shí)宇宙中的光子數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原子或離子的數(shù)量，1個(gè)原子可能被十幾億個(gè)光子包圍，本就不多的反應(yīng)產(chǎn)物HeH+也會(huì)因?yàn)楣庾拥?ldquo;摻和”而被分解掉大半。
再后來(lái)，大爆炸后約40萬(wàn)年時(shí)，氫原子開(kāi)始出現(xiàn)了。
當(dāng)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(shí)，宇宙是不透明的。陳學(xué)雷指出，光子很容易被自由電子散射掉。而當(dāng)原子復(fù)合越來(lái)越普遍時(shí)，宇宙中“無(wú)主”的自由電子數(shù)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(kāi)來(lái)，形成現(xiàn)在我們能夠接收到的宇宙微波背景輻射。”
當(dāng)宇宙中的氫、氦原子已經(jīng)初具規(guī)模，如何產(chǎn)生更多、更重的原子?陳學(xué)雷指出，宇宙中的氫、氦原子、自由電子、光子等物質(zhì)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(huì)吸引周圍的其他物質(zhì)，從而密度越來(lái)越高，形成團(tuán)塊。其內(nèi)部的原子之間更易發(fā)生反應(yīng)。有學(xué)者認(rèn)為，氫分子在這一階段誕生了。
氣體團(tuán)塊形成之后，引力的作用會(huì)讓它有向內(nèi)收縮的趨勢(shì)，但由于其本身的壓強(qiáng)和溫度可與之抗衡，因此團(tuán)塊能夠暫時(shí)保持平衡的狀態(tài)。
恒星演化 重元素“百花齊放”
什么情況下氣體團(tuán)塊能夠進(jìn)一步演化，最終形成恒星?
“團(tuán)塊如果能夠通過(guò)熱輻射損失能量，就能使其內(nèi)部壓力降低，從而打破這種微妙的平衡，不斷向內(nèi)收縮，最后形成宇宙中的第一批恒星。”陳學(xué)雷說(shuō)。
恒星內(nèi)部極高的溫度和壓力為核反應(yīng)提供了絕佳的場(chǎng)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(huì)在恒星末期的超新星爆發(fā)或出現(xiàn)星風(fēng)現(xiàn)象時(shí)被拋射出來(lái)。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(xué)雷說(shuō)，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(wú)法輻射出去，團(tuán)塊“冷”得慢，進(jìn)一步向內(nèi)收縮就會(huì)變得無(wú)比困難。而在第二批、第三批恒星形成時(shí)，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(duì)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(qū)域更加迅速地形成恒星。
“以上只是學(xué)界的觀點(diǎn)之一。”陳學(xué)雷說(shuō)，“還有學(xué)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(zhì)量的超大質(zhì)量團(tuán)塊時(shí)，才能引起輻射散熱，形成第一代恒星，這樣的‘第一代’形成過(guò)程就更難了。”
總之，隨著時(shí)間的流逝，宇宙中的恒星越來(lái)越多，元素的種類也越來(lái)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(jiǎn)單的生命，進(jìn)而為魚(yú)，部分魚(yú)類上岸，進(jìn)化成人類與其他各種陸生動(dòng)植物。
科技發(fā)展、文明對(duì)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(lái)自于宇宙早期的核合成。沒(méi)錯(cuò)，“我們都是星塵”。
