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在地球大气中,含量最多的元素是氮,其次是氧。氢气在大气中的占比仅0.%,氦气的占比仅0.%。在地壳中,含量最多的元素是氧,其次是硅,第三是铝,然后还有铁、钙、钠。氢在地壳中的含量仅为0.76%,氦的含量为十亿分之八。
然而,如果放眼整个太阳系,地球上富含的那些元素其实都非常少见。由于太阳拥有整个太阳系99.86%的质量,只要看看太阳的成分,就知道太阳系中什么元素最多。
太阳中心正在进行核聚变反应,大量的能量被释放出来,使得太阳非常热,其表面温度一般可达℃。在如此之高的温度下,人类所能制造出的最高熔点材料也会熔化掉。因此,人类无法从太阳上直接获得物质进行研究。那么,天文学家又是如何知道太阳的成分呢?
答案就在于太阳光之中。当原子核外的电子吸收和释放能量时,它们会吸收或者发射出光子。由于原子轨道都具有特定的能级,在电子迁移过程中,对应的光子也会拥有特定的能量,所以不同元素的光谱是完全不一样的。因此,通过分析原子光谱就能确定元素组成。
根据光谱分析的结果,太阳的73.46%(质量占比)为第1号元素氢,24.85%为第2号元素氦,其他所有元素加起来只占太阳质量的1.69%。也就是说,整个太阳系几乎都是由氢和氦构成的。
事实上,放眼整个宇宙,氢氦的质量占比更高。分析表明,在宇宙的普通物质中,大约75%为氢,24%为氦,其他元素仅为1%。
那么,为什么宇宙中99%的元素都是氢和氦,它们都是怎么来的呢?
由于氢是第1号元素,没有比它更小的元素,所以它们无法通过核聚变产生。另一方面,虽然包括太阳在内的很多恒星都会进行氢核聚变,把氢转变成氦,但宇宙中的大部分氦元素并非是由恒星产生的。宇宙中的氢和氦元素的最初来源要追溯到亿年前的极早期宇宙。
宇宙大爆炸之后,纯能量转变为了各种基本粒子。不过,由于正粒子略多于反粒子(每10亿个多1个),反粒子被湮灭殆尽,只有正粒子残留下来。到了宇宙诞生之后一百万分之一秒时,夸克和胶子在强核力的作用下结合在一起,产生了质子、中子。
到了宇宙诞生之后10秒时,宇宙的温度变得足够低,质子和中子可以被强核力束缚在一起,形成稳定的原子核,这个过程被称为原初核合成。由于空间快速膨胀,宇宙快速降温,原初核合成最多只持续了20分钟,只有1号氢和2号元素氦有条件被大量合成出来,进一步的核聚变反应无法进行下去。根据宇宙大爆炸理论,原初核合成产生的氢氦元素质量之比为3:1,这与目前的观测结果完全相符。
短短的20分钟,决定了未来宇宙的元素丰度。虽然恒星的核聚变、超新星爆发以及中子星碰撞等过程,都会合成出更重的元素,但它们占比非常小。经过亿年,宇宙中99%的元素仍然是氢和氦。尽管另外1%的元素很少,但它们是构成地球以及包括人类在内的地球生命所必需的元素。