为什么第26号铁元素会引爆恒星?地球上那么多铁会很危险吗?

铁对人类有多重要?

铁应该是与人类历史纠葛最深的元素了,从公元前4000年进入青铜时代开始,青铜这种易于冶炼和加工的金属为人类社会发展提供了极大的助力,但青铜硬度很高却也脆性太大,缺点显而易见!到公元前2500年时,铁器开始出现,此后技术的提升使得冶铁技术的提高,铁器开始替代青铜制造的农具和兵器,青铜开始退居酒器与祭器!

铁器时代的崛起是人类社会发展的幸事,现代几乎所有的工具中都是铁或者铁的合金,无论是大规模生产用的农具还是制造行业的工具以及设备,都少不了铁元素的存在,甚至我们可以这样定义铁,如果没有发现铁元素,那么也不会有现代社会,更不可能进入宇航时代!但这种对人类至关重要的铁元素却是恒星最毒的毒药,因为恒星中一旦演化的铁元素,等待它的只能在超新星爆发中终结一生!

为什么恒星发展到铁就会死?

恒星能保持大致球体的原因有两种,一种是引力坍缩致静力平衡,另一种是恒星内部产生的辐射压,所以恒星的呈现在宇宙中形态,就是一个高温的等离子球体,它会因为自转而略扁,但密度并不会比水高很多,比如太阳的平均密度只有水的1.4倍!

静力平衡

一个大于直径500千米的天体,会在静力平衡的状态下趋向于球体,比如地球,尽管有山脉和海洋,还两极的冰川,但地球上最高的山脉也不过8千米,和地球1.27万千米的直径相比,其实这个球体的精度还是很高的,不过因为自转,赤道部位的直径会略大。而处于等离子体的恒星明显要规则得多,比如太阳自转慢,赤道的直径之比两极大10千米,而太阳的直径则高达140万千米,所以这个精度让滚珠轴承中的钢球也自叹不如!

谷神星直径950千米,这个球形还不太平准

辐射压是怎么来的?

引力坍缩会让球体的密度逐渐增加,假如没有辐射压的话,越大的天体就是一个致密的天体,但很幸运,宇宙中最丰富的氢元素会在引力坍缩的高温下开始核聚变,其剧烈的能量释放在恒星内核会以辐射方式向表面传递,再透过对流到达表面,继而向宇宙空间以光辐射方式散发。

恒星辐射与对流模型

这个向表面传递的辐射会产生压力,对抗因引力中心坍缩的壳层,因此一颗处在主序星状态的恒星必然是辐射压和引力坍缩是平衡的,而且这种模式有一个极限,比如恒星质量太大,内核温度过高,那么辐射压过大的情况下,强烈的恒星风会让恒星丢失大量的物质,而阻止恒星进一步成长,这个质量大约是太阳的150倍,以英国物理学家爱丁顿爵士命名的光度极限。

天文学家认为256倍太阳质量的R136A1是两颗恒星合并合成的

超新星爆发

红矮星没有内核外没有辐射层,所以红矮星可以通过对流彻底燃烧整颗恒星的氢元素,所以它们寿命很长,从黄矮星开始的恒星都有一个辐射层,因此当恒星烧完内核的氢元素时,外壳大量的氢元素并不会来填补这个空白,而只有内核外侧的壳层氢元素填补,此时内核坍缩,温度增加,燃烧速度加快!

红巨星会在这个时代到来,内核的氢元素燃烧后的氦元素堆积,如果到了氦元素聚变的极限,氦元素在短时间内烧完,就成了氦闪!当然如果质量够大,那么这些氦元素在没有堆积的情况下就会继续燃烧,一直烧,一直烧,从氦元素烧到铁元素!

铁元素会继续烧吗?不能,从元素比结合能来看,铁元素就是峰值,简单的说就是从铁元素是最稳定的元素,如果要再合成新的元素,需要吸收能量!所以此时的恒星内核除了堆积铁元素就没有其他途径了,而外壳远远不断的产生铁元素,越来越多,在它超过钱德拉塞卡极限崩溃的那一刻,恒星的超新星爆发就产生了!

当然铁核坍缩只是超新星爆发的其中一个类型,也有不经历铁核超新星,比如Ia型号超新星爆发,或者超大质量恒星的超新星爆发,不过铁核坍缩超新星爆发应该是最多的。超新星爆发过程付出复杂,即使到现在仍然没有在超计算机中成功模拟出铁核坍缩的超新星爆发,但并不表示它不存在,宇宙中时时刻刻都有发生,而银河系中大约每100年就会发生一次。

室女座NGC 4526 SN1994D超新星爆发

超新星产生的能量极大,它能照亮整个星系,发出的能量大约是比太阳一生中释放的总能量还要多,据天文学家计算,一颗在100光年内爆发的超新星,将会对地球产生毁灭性的影响,不过幸好最近可能的超新星在160光年外,而且它最近并不打算爆发!另一颗最近可能爆发的参宿四远在640光年外!

铁是恒星的毒药,却是生命最初的源头!

我们知道铁元素在生理过程中非常重要,但我们今天要说的并不是铁对生命的作用,而是它导致的超新星爆发,因为超新星爆发是恒星生命的结束,却是行星很可能诞生的生命的引子!

超新星爆发尽管将可能毁灭很多生命,但它也可能在未来创造生命,因为铁元素促成的超新星爆发,将恒星一生中积攒的所有元素、包括在红巨星阶段因慢中子捕获和超新星阶段快中子捕获产生的重元素统统抛向宇宙,这些物质将在未来千百万年后因为引力重新坍缩成一颗个新的星系,我们所在的太阳系就是这么来的,太阳系暂时来说还是人类唯一的家园!

另外各位请放心,地球上的铁元素都很稳定,而且主要也是它不出工也不出力导致自身坍缩,从而整颗恒星开始坍缩而引爆超新星的,而地球是一颗行星,根本不具备超新星爆发的潜质,所以各位很安全哦!