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地球是否集齊宇宙中的全部元素?

地球上天然存在的元素有94種,包括從1號氫到94號鈈。而目前已知的元素已經達到了118種,另外24種元素都是人工合成的。如果排除人造元素,那麽,宇宙中的其他星球上確實有可能存在地球上天然沒有的化學元素。不過,其他星球上超鈾元素的豐度應該會非常,並且包含的元素種類與地球不會相差太大。至於原因,這就要涉及到宇宙中的元素來源和星球的演化。

根據標準宇宙模型,宇宙的起源要追溯到138億年前的無窮小奇點。宇宙的最初時候並沒有今天所知的物質,也沒有空間。宇宙從大爆炸中誕生大約10秒之後,經歷了暴脹的宇宙逐漸冷下來,宇宙開始了持續時間十幾分鐘的太初核合成過程。在此期間,質子(氫原子核)和中子逐漸形成,並且質子和中子又結合成氦核。

由於宇宙進一步膨脹冷卻,密度和溫度大幅度下降,宇宙沒有條件繼續進行核聚變反應。雖然太初核合成隻持續了十幾分鐘,但這個過程產生了如今宇宙中的一切物質基礎。由於光子與重子的比例,宇宙合成出的氫的質量佔比近乎75%,氦的質量佔比近乎25%,另外還有極少量的鈹和鋰。

在宇宙誕生大約一億年之後,在經過充分冷卻的宇宙中,氫和氦氣體雲結合形成了第一代恆星。在恆星中,通過氫會發生核聚變反應形成氦。而當氫耗盡(核心區域)之後,氦又會進一步發生核聚變反應形成宇宙中還未出現的新元素。

由於第一代恆星的質量非常高,它們在合成到26號鐵元素之後會走向死亡,結果會發生猛烈的超新星爆發。通過中子俘獲過程,在超新星爆發期間,又會合成更重的元素。不過,隨著原子序數的增加,合成所需的條件越來越苛刻,所以元素豐度也就會越來越低。

在第一代恆星死亡之後,它們合成的重元素會散播到星雲中。此後,從這些星雲中誕生的恆星就會包含重元素。太陽最初也是從上一代死亡恆星的部分殘骸中誕生,所以地球上才會有一系列的重元素,生命才有可能進化出來。

如果星雲被大質量恆星的超新星爆發波及到,那麽,從這些星雲中形成的天體所具有的元素種類跟地球是差不多的,只是豐度上的一些區別而已。當然,其他星球上確實會包含少數地球上天然沒有的元素,只是這些元素的豐度應該會非常低。

另外,其他星球上不大可能會出現原子序數特別高的元素,因為超鈾元素非常不穩定,它們很容易衰變成更穩定更輕的原子。正因為如此,人工合成出的94號以上的元素通常只能保存很短的時間。

宇宙中除了由各種元素組成的普通物質之外,還可能存在至今未能理解的暗物質。根據觀測結果推測,暗物質遠多於普通物質,並且它們的組成不再是我們所知的化學元素。

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