宇宙中最早的化學(xué)鍵刷屏了。近日發(fā)表的一項天文學(xué)成果指出，科學(xué)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(gòu)成的分子離子讓人們關(guān)注化學(xué)過程是如何發(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。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?宇宙最早期的元素們經(jīng)歷了什么?它們的“成長歷程”又帶來怎樣的神奇反應(yīng)?
宇宙漸冷 輕核誕生于碰撞
“元素并非與宇宙同時誕生，而是在宇宙形成之后才出現(xiàn)的。” 中國科學(xué)院國家天文臺研究員陳學(xué)雷表示。
宇宙是怎樣形成的?古往今來，科學(xué)家曾運用想象、假設(shè)、計算、觀測等無數(shù)手段去探尋這個終極奧秘。
廣為接受的大爆炸宇宙學(xué)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(zhì)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(guī)范粒子等這些基本粒子組成;約在10-4秒時，宇宙介質(zhì)中完成了從夸克到強子的相變，此后的宇宙氣體才有了質(zhì)子和中子;3—30分鐘時，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。氣體中的一個質(zhì)子和一個中子可通過熱碰撞發(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，光子的能量也很高，核化學(xué)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(dāng)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(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)再由它們進一步產(chǎn)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(shù)更大的核，如鋰、鈹、硼，而后粒子的熱運動已經(jīng)不足以再引起熱核反應(yīng)，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(xué)雷說。
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(tài)。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(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。“氦原子會先于氫原子誕生。”陳學(xué)雷說。
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，意味著原子核對電子的“抓取”和“束縛”能力越強，因此氦核更早與自由電子復(fù)合成原子。大爆炸后十幾萬年時，氦原子開始出現(xiàn)了。
前文所述的研究發(fā)現(xiàn)即為一個氦原子和一個帶正電荷的氫核復(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。
“實際上，該分子離子的形成量應(yīng)該很少。”在陳學(xué)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(yīng)并不頻繁，只是偶爾生成HeH+;此外，HeH+并不穩(wěn)定，且當(dāng)時宇宙中的光子數(shù)量遠遠高于原子或離子的數(shù)量，1個原子可能被十幾億個光子包圍，本就不多的反應(yīng)產(chǎn)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(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，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)合越來越普遍時，宇宙中“無主”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來，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，便會吸引周圍的其他物質(zhì)，從而密度越來越高，形成團塊。其內(nèi)部的原子之間更易發(fā)生反應(yīng)。有學(xué)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(nèi)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(tài)。
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(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。
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(fā)或出現(xiàn)星風(fēng)現(xiàn)象時被拋射出來?；祀s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，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(nèi)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(qū)域更加迅速地形成恒星。
“以上只是學(xué)界的觀點之一。”陳學(xué)雷說，“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?？梢韵胂?，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(fā)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”。
