当核聚变走到铁这一步,奇妙的事情发生了:聚变不再释放能量,反而开始吸纳能量。

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换句话说,在恒星核心的熔炉中,一旦铁元素(准确来说是镍-62,但最终镍会转化为铁)成为聚变的主角,由于无法再释放能量,恒星的内部平衡被彻底打破,核聚变之火也因此熄灭。

为何超越铁的聚变会变成能量的吞噬者呢?答案在于铁拥有最高的比结合能。

在了解比结合能之前,我们先要明白什么是结合能。

结合能是指将原子核中的核子绑在一起所需的能量,正如教科书上所说:“原子核中的核子依靠核力连结,若要将它们分开,同样需要能量,此即原子核的结合能。”

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结合能并不是元素自身携带的能量,它仅仅表示分离原子核(裂变)或联合原子核(聚变)所需要投入或释出的能量。原子核内的核子数量(不论是质子还是中子)越多,其结合能就越高。

比结合能,即结合能除以核子数,也即是所谓的平均结合能。我们可以将结合能与比结合能的关系类比为GDP与人均GDP。

就像一个国家的GDP再高,关键还要看人均GDP一样,核聚变的关键也在于比结合能,而非结合能。

铁之所以具有最高的比结合能,是因为它在元素界中地位最稳固。

铁的稳定性意味着向铁原子核内添加核子(进行聚变)会变得异常艰难,因此需要耗费庞大的能量。

我们还可以通过爱因斯坦质能方程E=MC平方来进一步阐释,为何在铁之后的聚变会需要吸收能量。

在铁之前的轻元素进行聚变时会失去质量并释放能量,而铁之后的重元素在聚变中会增加质量,从而吸收能量。

那么,为何一旦吸收能量,恒星中的核聚变就不能持续了呢?

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因为恒星的存在依赖于引力与核力之间的微妙平衡。

核聚变释放的能量形成一种向外的压力,与恒星自身的引力相平衡,使恒星得以稳定。

从氢聚变开始,引力的压缩作用使得恒星核心达到启动聚变所需的高温。恒星核心先吸收能量,随后通过聚变释放出更大的能量,这股能量又为下一轮的聚变提供动力,如此循环。

然而,在铁聚变发生时,能量不仅不会被释放,还会迅速消耗掉恒星的能量,导致恒星塌缩,进而触发核爆炸,这便是我们所知的超新星爆发。

超新星爆发所释放的能量,在短短时间内比太阳在100亿年中释放的总能量还要巨大100倍。

这股强大的能量在宇宙中瞬间打造出一个超级反应炉,催生出包括铁之后的重元素在内的所有元素。

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随后在恒星的遗迹上,会诞生一颗中子星或黑洞。

一旦恒星决心走向终结,任何力量都难以挽留。

科学界将铁的核聚变称作“恒星杀手”,它虽然终结了恒星内部的核聚变,却开启了生命起源的超新星爆发。它加速了宇宙产生所有元素并散播元素的速度,大大缩短了孕育生命所需的时间。否则,我们脚下的地球,以及地球上的我们,又如何能够存在。