宇宙中的石头从哪里来,大部分行星都是石头吗?真相在这里
时间:2022-07-07 07:22:45 来源:科普之家 作者:时空通讯 栏目:头条 阅读:48
本文基于回答网友这样一个问题:宇宙那么大,大部分行星都是石头,问题来了,石头又是从哪里来的?
这个问题本身就犯了先入为主的错误。宇宙是很大,大得迄今为止科学界也不知道有多大,只知道可观测宇宙半径约465亿光年。但宇宙大部分行星都是石头这个论断就大错特错了。要说清楚这个问题,就需要先了解宇宙形成过程和元素丰度。
宇宙起源和元素丰度简介/
标准宇宙模型认为,宇宙起源于138.2亿年前的奇点大爆发。奇点是一个无限小的能量点,爆炸开始温度无限高,密度无限大;但爆炸1秒钟内,就产生了夸克、胶子、轻子、中子、质子、电子等粒子;爆炸10秒钟内,质子、中子就结合成了原子核。
因此,宇宙中的所有物质都是由能量转化而来的,符合爱因斯坦创立的质能方程:E=MC^2。但宇宙初创时期,极端高温、高压和高密度,电磁波和光都无法溢出,宇宙处于不透明的黑暗时期,电子也无法与原子核结合成原子。
一直到爆炸发生38万年后,宇宙温度降到了3000K,密度也大大降低以后,光子才得以脱耦而出,发出宇宙诞生以来的第一缕光,电子也与原子核结合诞生了中性原子。
宇宙元素是从最简单开始的,最早的原子只有氢和氦,还有极少量的锂。这几种元素在元素周期表里排在前3位,原子核中分别只有1、2、3个质子,围绕着原子核运动的电子也只有1、2、3个。它们在宇宙中质量丰度(比例)为:氢占76%,氦占24%,锂极少,约占0.00000006%。
这些数据当然不是信口开河,已经从测量宇宙大爆炸留下的余烬中得到答案,人们把这些余烬称为宇宙微波背景辐射,这种无处不在的辐射正是宇宙大爆炸38万年后发出的第一缕光的残留。
宇宙形成初期,这些元素在万有引力作用下,相互吸引凝聚成分子云,这些分子云不断聚集,越来越大,越来越紧密,就渐渐形成了恒星和星系。恒星是宇宙中可见物质的最主要组成部分,以等离子态的形式存在,宇宙中等离子体占可见物质的99%以上。
因此,宇宙可见物质中最多的是等离子态物质,而不是石头。
所谓可见物质,是现代天体物理学认为,组成宇宙的总质能中,暗能量占据了68.3%,暗物质占据了26.8%,可见物质,包括恒星、星云、光子、中微子等加起来只占有4.9%。暗能量和暗物质由于不会与光(电磁波)发生吸收、反射等任何作用,因此我们无法看见。
宇宙初期除了氢和氦以及微量的锂,没有其他元素,是随着恒星核聚变不断将轻元素融合成重元素,元素的种类才渐渐多了起来。大质量恒星演化晚期会发生超新星大爆发,在极高温度和压力下,就能聚合出更重的元素;宇宙中的重大天体事件,如中子星相撞、白矮星爆发等,都会形成重元素,最终才形成了现在已知的118种元素。
虽然现在宇宙中元素种类已经很多,但整个宇宙元素丰度依然是以氢和氦为主,占比依然达到99%,其他重元素加起来只有约1%。组成石头的主要元素不是氢和氦,这就是宇宙中行星不可能以石头为主的原因。
太阳系的石头行星有多少/
太阳系由一颗恒星和八大行星以及许多小天体组成,太阳是太阳系唯一的恒星,是银河系约4000亿颗恒星中一颗中小质量的恒星,叫黄矮星,质量约为1.989*10^30千克,占据了太阳系总质量的99.86%。也就是说除了太阳,其余八大行星加起来只有整个太阳系质量的0.14%,更小的天体基本忽略不计。
在八大行星中,有4颗类地行星和4颗类木行星。类地行星靠近太阳,从里往外数为水星、金星、地球、火星;类木行星由近及远为木星、土星、天王星、海王星。所谓类地行星就是像地球这样以岩石为外壳的行星,也叫岩石行星;类木行星就是像木星这样以气体为主组成的行星,也叫气态巨行星。
实际上岩石行星也并非都是由岩石组成,如我们地球地壳中的氧就含有46.6%;气态行星也并非完全由气体组成,比如木星、土星都有一个不大的岩石内核,在大气层深处高温高压下,气体也变成了液态和金属态。
但为了叙述方便。我们就将岩石行星全部作为石头来算,气态行星就全部作为气体来算。那么八大行星的总质量中石头占据多大比重呢?地球质量约为6*10^24千克,水星质量约为地球的0.05倍,金星质量约为地球的0.82倍,火星质量约为地球的0.11倍。四颗类地行星加起来约为地球质量的1.98倍。
气态行星都是巨行星,木星就占据了八大行星质量的71%以上,质量约为地球的318倍;土星质量约为地球的95倍,天王星质量约为地球的14.6倍,海王星质量约为地球的17.2倍。这样,四颗气态巨行星总质量就是地球的444.8倍。
也就是说,太阳系气态行星与石头行星质量对比为444.8:1.98,石头行星质量只占全部行星质量的约0.45%。组成石头的主要化合物是碳酸钙或二氧化硅,碳酸钙由碳、氧、钙三种元素组成,二氧化硅由硅和氧组成。
石头是如何形成的太阳系存在宇宙中所有的118种元素,地球上同样涵盖了宇宙中存在的所有元素。这就说明了太阳系不是从宇宙大爆炸的原始星云中诞生,而是经历了至少一次甚至数次超新星大爆发,从父辈恒星残留的再生星云中诞生,而且还接受了中子星相撞等天体事件的遗产。
太阳系的元素丰度约为:氢占73.46%,氦占24.85%,其他重元素约占1.69%,主要有氧0.77%,碳0.29%,铁0.16%,氖0.12%,氮0.09%,硅0.07%,镁0.05%,硫0.04%等,其他的100多种元素就更稀少了。
在太阳形成初期,恒星风很大,会将吸积盘中剩余的尘埃和渣子吹向远方,重物质就会离得近一些,气体和水蒸气等轻物质就吹得更远,因此由重物质组成的类地行星都靠近太阳,而气体和冰组成的气态或冰质星球则距离太阳更远。
地球是太阳系四大类地行星中最大的一颗行星,但质量只有太阳的33万分之一。地球上已发现的宇宙所有元素,迄今为止,宇宙中还没有发现地球上没有的元素。而组成地球元素最高丰度的元素为:铁占32.1%,氧占30.1%,硅占15.1%,镁占13.9%,硫占2.9%,镍占1.8%,钙占1.5%,铝占1.4%。这8种元素就占了地球元素丰度的98.8%,剩余的1.2%由其他110种元素分担。
行星在形成时,是由各种碎片碰撞凝结在一起的,像滚雪球一样越滚越大,随着质量和体积的增大,引力越来越大,就把整个轨道的碎片渣子都吸附到自己身上了。行星形成早期由于自身轨道小天体相互碰撞,以及大量陨石撞击,整个星球都处于熔融状态。
行星形成后就开始慢慢冷却,表面就渐渐结成了一圈岩石圈,在地球上就叫地壳。由于引力和自转作用,行星在熔融时期,比较重的元素,如铁、镍等就大部分沉到了更深处和地心,因此,地壳的元素丰度与整个地球丰度是有区别的。
科学测定计算得到的地壳元素丰度约为:氧占46.6%,硅占27.72%,铝占8.2%,铁占5%,钙占3.63%,纳占2.83%,钾占2.59%,镁占2.09%,钛占0.44%,氢占0.14%,磷占0.12%,锰占0.10%,氟占0.08%等等,这13种种元素丰度占据了118种元素的99.54%,还有105种元素就只能瓜分剩余的0.46%了。
而所谓石头是一个含糊的概念,实际上就是岩石碎片,其组成成分比较复杂。地球的岩石主要有火成岩、黄岗岩、玄武岩、安山岩、砂岩、石英岩等等,这些岩石的碎块都可以称为石头,其组成成分主要是以氧和硅、钙等为主,还含有一些其他的元素,根据产地不同,其元素丰度会有区别。
在太空漂浮着的小行星有岩石的,也有冰体的,有的是在太阳系形成初期残留下来的,有的是在天体撞击中破碎漂流的,其成分都是太阳系应有的成分,只不过由于成因不一样,各种成分含量不同罢了。
宇宙中所有恒星系统的形成和演化大致都差不多,因此太阳系石头的来历也可视为宇宙中石头的来历。这个问题就说到这里,有什么问题,可在评论区留言。欢迎讨论,感谢阅读。
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