宇宙中最常见的元素是氢和氦,其次是氧、碳、氖、氮等元素。
前十名元素的丰度为:
氢——90%
氦——9.7%
氧——0.085%
碳——0.036%
氖——0.012%
氮——0.011%
镁——0.004%
硅——0.004%
铁——0.003%
硫——0.002%
元素宇宙丰度是一种重要的物理量。即用宇宙空间各天体与硅元素对比的值或在整体中所占的百分比来表示该元素或同位素的相对量。硅是宇宙中较为常见的元素,元素宇宙丰度通常取硅的丰度为10,其他元素的丰度与硅丰度相比较求得。而碳的含量是硅的九倍左右,这也是生命大多为碳基的原因之一,毕竟生命总是更可能由宇宙中更多见的物质形成。
宇宙元素丰度图
恒星金属丰度则是指一颗恒星中出去氢和氦以外其他元素所占的比重,这既涉及到恒星本身所处的演化阶段,也涉及到该恒星一带金属资源的丰富程度。
我们所处的太阳系的太阳,金属丰度约为1.8%左右(另一种说法认为是1.3%),但这已经比我们的很多邻近恒星要高得多。例如距离我们11.9光年的天仓五,金属丰度大约为0.5%,距离我们10.7光年的天苑四,铁元素的含量就只有太阳的74%,距离地球19.48光年的王良三,金属丰度约为0.9%。在一个星系中,越是离星系的中心近,恒星的金属丰度总体上也就越高。
在恒星演化过程中,由于不断地发生轻核聚变,所以越是衰老自然金属丰度也就越大,越是年轻金属丰度也就越低,但是金属丰度也涉及到恒星最初形成时获取的非氢氦元素的比重。同等情况下,金属丰度低的恒星比金属丰度高的恒星燃烧得更快,寿命要更短。比如关于太阳的金属丰度测量下的两种结果的争议,越来越精确的阳光光谱测量法(测量太阳成分的直接方法)得出了低得多的结果,只有1.3%。同时,日震学测量法(测量太阳金属丰度的间接方法,根据不同频率的声波在太阳内部的传播方式进行测量)仍然说是1.8%,对太阳中微子的探测结果稍微倾向于1.8%的太阳金属丰度估值。如果太阳的金属丰度真的只有1.3%的话,那么意味着太阳的寿命会比我们预估的少10亿年左右。
恒星金属丰度是决定它的行星形成过程的重要指标,因为恒星光球层化学成分很大程度反映了当时的原行星盘成分。Kepler系外行星调查发现金属丰度比太阳高20-30%的恒星明显更容易形成热木星和高轨道离心率的热超级地球,而比太阳低50%的恒星的行星系统更紧凑。行星系统的形成与母星的富金属丰度存在着一定的联系,一种比较自然朴素的解释为,恒星的金属丰度高,其原始星云的外部区域易于形成较重的“冰核”,“冰核“”进一步吸积周围气体,形成行星。当然,这并非形成行星的唯一方法。
在探索太阳系外的恒星及其系外行星系统时,越是贫金属恒星,就越不是理想的对象,而金属含量越高,不仅该恒星的寿命更长,而且绕着该恒星转的天体系统中的金属矿物资源自然也就更丰富,探索价值也就越大。
铁的比结合能最大,是核裂变和核聚变的最终终点
我们知道,恒星表面的核聚变的最终终点都是铁元素,而在宇宙大爆炸的早期阶段,此时是只有氢氦等轻元素的,那又如何合成比铁更重的元素呢?比铁更重的元素,不论是金银铂铑等贵重金属,还是钍铀钚等核燃料元素,还是溴碘等工业原料,也都是很重要的,但是它们在宇宙中所占有的比重是无法和从氢到铁的元素相比的。
由于氢和氧都是宇宙中比较常见的元素,所以相对而言,水在宇宙中其实并不是稀缺资源。就以太阳系为例,木星的三颗卫星、土卫六、海卫一和冥王星的含水量就都高于地球。
太阳系含水量前九天体
而宇宙中相对稀缺的其实还是各种矿产资源、贵重元素,他们本身大多不能通过恒星本身的核聚变反应合成。就以黄金为例,地球上的黄金其实来源于中子星的碰撞。
中子星碰撞
宇宙中中子星的偶尔碰撞合并,很可能会发射引力波而因此影响宇宙物质。而中子星的合并也可能是宇宙中黄金和其他重金属元素的主要来源。中子星在宇宙中比白矮星要少见的多,离我们最近的白矮星是天狼星的伴星距离我们仅8.6光年,而目前所发现的最近的中子星已有424光年之遥。在银河系中,两颗中子星的碰撞几率为平均每10万年发生一次,是很稀有的事件。由于中子星完全由中子构成,自身就相当于一个原子核,中子星碰撞时会随机地自由结合若干中子,其中一部分中子衰变成质子后,便会形成稳定的原子核。每次中子星碰撞约有1%的质量会转变成重元素,其中只有一小部分是金子。比如科学家某次观测到的一次中子星碰撞所产生金子就可能相当于10个月球之多。几十亿年前中子星碰撞所喷射出的黄金等重元素被原始地球所融合,成为地球上今天它们的主要来源。但即便如此,地球的黄金含量约为60万亿吨,为地球质量的亿分之一,但绝大多数在很深的地底不便于挖掘。
灵神星
灵神星(16 Psyche)就处在太阳系的小行星带,它的直径约为225公里,距离地球3.7亿公里,是1852年3月17日由天文学家安尼巴莱·德·加斯帕里斯发现的。灵神星属于一颗m型小行星,完全由纯净的金属组成。其主要成分包括铁、镍、金、银、铂等一些稀有的贵金属组成,并且它目前是人类已知最大的m型小行星。构成这颗小行星的重金属的价值高得惊人,如果平均分配给地球上的每个人,那么人均可以净赚近1万亿美元,但也会将破坏商品价格,并导致世界经济崩溃。但幸运的是,美国宇航局此次太空之旅是出于科学目的,并不打算进行任何采矿活动。美国宇航局的Psyche探索计划现在已经获得了批准,进入制造前的最终设计研发阶段,他们计划2022年发射小行星探测器。再比如美国宇航局一颗紫外线探测卫星在观测星球紫外线辐射时,在拍摄的距离地球175光年远的照片中发现了一条极黑的线,它的光谱代表在黄金的位置上,这就说明这颗神秘星球的表面是由大量的黄金构成的,表面的储藏量就已大约有1000亿吨,我们可以把他叫做“黄金星球”吧。尽管重元素在宇宙中所占比重很低,但在广袤的太空中仍然是资源极为可观。