宇宙中最早出现的元素是什么?来听科学家怎么说…

泰山广播电视网 兰佳颖 2019-05-16 04:17:27
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  宇宙混沌时 氦原子这样遇上氢离子

  实习记者 于紫月

  近日,宇宙中最早的化学键刷屏了。《自然》杂志上发表的一项天文学成果指出,科学家首次在太空中检测到了氦合氢离子(HeH+)。这个由宇宙中最简单的两种元素构成的分子离子让人们关注化学过程是如何发源的,也引发了人们关于元素起源的好奇心。

  “我们都是星尘。”科普作家卡尔·萨根曾说。我们本身和赖以生存的物质世界都是由各种各样的元素构成,那么这些元素从哪里来?宇宙最早期的元素们经历了什么?它们的“成长历程”又带来怎样的神奇反应?  

  宇宙渐冷 轻核诞生于碰撞

  “元素并非与宇宙同时诞生,而是在宇宙形成之后才出现的。” 中国科学院国家天文台研究员陈学雷在接受科技日报记者采访时表示。

  宇宙是怎样形成的?古往今来,科学家曾运用想象、假设、计算、观测等无数手段去探寻这个终极奥秘。

  广为接受的大爆炸宇宙学认为宇宙是在不断膨胀的,最初很可能起源于一个致密炽热的奇点,这就像一次大爆炸。近140亿年来,宇宙中的物质密度从密变稀,温度由热变冷。

  通常认为,宇宙从爆炸之后的10-43秒开始膨胀;直到10-4秒前,宇宙气体还只是由夸克、轻子、规范粒子等这些基本粒子组成;约在10-4秒时,宇宙介质中完成了从夸克到强子的相变,此后的宇宙气体才有了质子和中子;3—30分钟时,原始的核合成发生,氢原子、氦原子相继出现,宇宙中才开始有了化学元素。

  “宇宙中最早出现的元素为氢元素。气体中的一个质子和一个中子可通过热碰撞发生核反应,结合成氢的同位素氘核,并释放出2.2MeV的能量,该能量也称氘核的结合能。”陈学雷指出,这一反应是可逆的,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、温度很高时,光子的能量也很高,核化学平衡下的氘核就会“散掉”,其丰度非常低,人们理解为那时氘核合成尚未开始。

  当宇宙温度随着时间的推移下降时,氘核的丰度逐渐增加,氘核与其他质子或中子碰撞,紧接着便形成了原子量为3的同位素核氚和3He,后续再由它们进一步产生了原子量为4的氦核。

  氦原子核的积累较多时还会再合成原子序数更大的核,如锂、铍、硼,而后粒子的热运动已经不足以再引起热核反应,核合成过程至此告一段落。

  “宇宙早期主要形成了氢和氦,分别占比约76%和24%,锂、铍、硼的含量极少。”陈学雷说。

  众所周知,原子通常为电中性,由原子核和电子构成。上述过程虽然形成了较多的氢核和氦核,但此时宇宙的温度仍然较高,因此原子核和电子还没有“配对”,双方都处于电离状态。待温度进一步降低后,才“终成眷属”,真正组合成氢原子或氦原子。

  原子复合 分子离子只是“少数派”

  这次,原子的形成顺序与原子核的合成顺序不同了。“氦原子会先于氢原子诞生。”陈学雷说。

  原子核与电子复合成原子后,若电子想要逃离原子核的“魔爪”,就要吸收一定能量的光子,该能量值被称为电离能。

  氦原子的电离能大约为氢原子的2倍。电离能越高,意味着原子核对电子的“抓取”和“束缚”能力越强,因此氦核更早与自由电子复合成原子。大爆炸后十几万年时,氦原子开始出现了。

  前文所述的研究发现即为一个氦原子和一个带正电荷的氢核复合成氦合氢离子HeH+,而这种分子离子的形成时间就在这一阶段——氦原子已经复合,氢核还未“捕获”电子,以正离子形式存在。