宇宙中的石頭從哪里來,大部分行星都是石頭嗎?

天空之城 2022/06/04 檢舉 我要評論

本文基于回答網友這樣一個問題:宇宙那麼大,大部分行星都是石頭,問題來了,石頭又是從哪里來的?

這個問題本身就犯了先入為主的錯誤。宇宙是很大,大得迄今為止科學界也不知道有多大,只知道可觀測宇宙半徑約465億光年。但宇宙大部分行星都是石頭這個論斷就大錯特錯了。要說清楚這個問題,就需要先了解宇宙形成過程和元素豐度。

宇宙起源和元素豐度簡介

標準宇宙模型認為,宇宙起源于138.2億年前的奇點大爆發。奇點是一個無限小的能量點,爆炸開始溫度無限高,密度無限大;但爆炸1秒鐘內,就產生了夸克、膠子、輕子、中子、質子、電子等粒子;爆炸10秒鐘內,質子、中子就結合成了原子核。

因此,宇宙中的所有物質都是由能量轉化而來的,符合愛因斯坦創立的質能方程:E=MC^2。但宇宙初創時期,極端高溫、高壓和高密度,電磁波和光都無法溢出,宇宙處于不透明的黑暗時期,電子也無法與原子核結合成原子。

一直到爆炸發生38萬年后,宇宙溫度降到了3000K,密度也大大降低以后,光子才得以脫耦而出,發出宇宙誕生以來的第一縷光,電子也與原子核結合誕生了中性原子。

宇宙元素是從最簡單開始的,最早的原子只有氫和氦,還有極少量的鋰。這幾種元素在元素周期表里排在前3位,原子核中分別只有1、2、3個質子,圍繞著原子核運動的電子也只有1、2、3個。它們在宇宙中質量豐度(比例)為:氫占76%,氦占24%,鋰極少,約占0.00000006%。

這些數據當然不是信口開河,已經從測量宇宙大爆炸留下的余燼中得到答案,人們把這些余燼稱為宇宙微波背景輻射,這種無處不在的輻射正是宇宙大爆炸38萬年后發出的第一縷光的殘留。

宇宙形成初期,這些元素在萬有引力作用下,相互吸引凝聚成分子云,這些分子云不斷聚集,越來越大,越來越緊密,就漸漸形成了恒星和星系。恒星是宇宙中可見物質的最主要組成部分,以等離子態的形式存在,宇宙中等離子體占可見物質的99%以上。

因此,宇宙可見物質中最多的是等離子態物質,而不是石頭。

所謂可見物質,是現代天體物理學認為,組成宇宙的總質能中,暗能量占據了68.3%,暗物質占據了26.8%,可見物質,包括恒星、星云、光子、中微子等加起來只占有4.9%。暗能量和暗物質由于不會與光(電磁波)發生吸收、反射等任何作用,因此我們無法看見。

宇宙初期除了氫和氦以及微量的鋰,沒有其他元素,是隨著恒星核聚變不斷將輕元素融合成重元素,元素的種類才漸漸多了起來。大質量恒星演化晚期會發生超新星大爆發,在極高溫度和壓力下,就能聚合出更重的元素;宇宙中的重大天體事件,如中子星相撞、白矮星爆發等,都會形成重元素,最終才形成了現在已知的118種元素。

雖然現在宇宙中元素種類已經很多,但整個宇宙元素豐度依然是以氫和氦為主,占比依然達到99%,其他重元素加起來只有約1%。組成石頭的主要元素不是氫和氦,這就是宇宙中行星不可能以石頭為主的原因。

太陽系的石頭行星有多少

太陽系由一顆恒星和八大行星以及許多小天體組成,太陽是太陽系唯一的恒星,是銀河系約4000億顆恒星中一顆中小質量的恒星,叫黃矮星,質量約為1.989*10^30千克,占據了太陽系總質量的99.86%。也就是說除了太陽,其余八大行星加起來只有整個太陽系質量的0.14%,更小的天體基本忽略不計。

在八大行星中,有4顆類地行星和4顆類木行星。類地行星靠近太陽,從里往外數為水星、金星、地球、火星;類木行星由近及遠為木星、土星、天王星、海王星。所謂類地行星就是像地球這樣以巖石為外殼的行星,也叫巖石行星;類木行星就是像木星這樣以氣體為主組成的行星,也叫氣態巨行星。

實際上巖石行星也并非都是由巖石組成,如我們地球地殼中的氧就含有46.6%;氣態行星也并非完全由氣體組成,比如木星、土星都有一個不大的巖石內核,在大氣層深處高溫高壓下,氣體也變成了液態和金屬態。

但為了敘述方便。我們就將巖石行星全部作為石頭來算,氣態行星就全部作為氣體來算。那麼八大行星的總質量中石頭占據多大比重呢?地球質量約為6*10^24千克,水星質量約為地球的0.05倍,金星質量約為地球的0.82倍,火星質量約為地球的0.11倍。四顆類地行星加起來約為地球質量的1.98倍。

氣態行星都是巨行星,木星就占據了八大行星質量的71%以上,質量約為地球的318倍;土星質量約為地球的95倍,天王星質量約為地球的14.6倍,海王星質量約為地球的17.2倍。這樣,四顆氣態巨行星總質量就是地球的444.8倍。

也就是說,太陽系氣態行星與石頭行星質量對比為444.8:1.98,石頭行星質量只占全部行星質量的約0.45%。組成石頭的主要化合物是碳酸鈣或二氧化硅,碳酸鈣由碳、氧、鈣三種元素組成,二氧化硅由硅和氧組成。

石頭是如何形成的

太陽系存在宇宙中所有的118種元素,地球上同樣涵蓋了宇宙中存在的所有元素。這就說明了太陽系不是從宇宙大爆炸的原始星云中誕生,而是經歷了至少一次甚至數次超新星大爆發,從父輩恒星殘留的再生星云中誕生,而且還接受了中子星相撞等天體事件的遺產。

太陽系的元素豐度約為:氫占73.46%,氦占24.85%,其他重元素約占1.69%,主要有氧0.77%,碳0.29%,鐵0.16%,氖0.12%,氮0.09%,硅0.07%,鎂0.05%,硫0.04%等,其他的100多種元素就更稀少了。

在太陽形成初期,恒星風很大,會將吸積盤中剩余的塵埃和渣子吹向遠方,重物質就會離得近一些,氣體和水蒸氣等輕物質就吹得更遠,因此由重物質組成的類地行星都靠近太陽,而氣體和冰組成的氣態或冰質星球則距離太陽更遠。

地球是太陽系四大類地行星中最大的一顆行星,但質量只有太陽的33萬分之一。地球上已發現的宇宙所有元素,迄今為止,宇宙中還沒有發現地球上沒有的元素。而組成地球元素最高豐度的元素為:鐵占32.1%,氧占30.1%,硅占15.1%,鎂占13.9%,硫占2.9%,鎳占1.8%,鈣占1.5%,鋁占1.4%。這8種元素就占了地球元素豐度的98.8%,剩余的1.2%由其他110種元素分擔。

行星在形成時,是由各種碎片碰撞凝結在一起的,像滾雪球一樣越滾越大,隨著質量和體積的增大,引力越來越大,就把整個軌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軌道小天體相互碰撞,以及大量隕石撞擊,整個星球都處于熔融狀態。

行星形成后就開始慢慢冷卻,表面就漸漸結成了一圈巖石圈,在地球上就叫地殼。由于引力和自轉作用,行星在熔融時期,比較重的元素,如鐵、鎳等就大部分沉到了更深處和地心,因此,地殼的元素豐度與整個地球豐度是有區別的。

科學測定計算得到的地殼元素豐度約為:氧占46.6%,硅占27.72%,鋁占8.2%,鐵占5%,鈣占3.63%,納占2.83%,鉀占2.59%,鎂占2.09%,鈦占0.44%,氫占0.14%,磷占0.12%,錳占0.10%,氟占0.08%等等,這13種種元素豐度占據了118種元素的99.54%,還有105種元素就只能瓜分剩余的0.46%了。

而所謂石頭是一個含糊的概念,實際上就是巖石碎片,其組成成分比較復雜。地球的巖石主要有火成巖、黃崗巖、玄武巖、安山巖、砂巖、石英巖等等,這些巖石的碎塊都可以稱為石頭,其組成成分主要是以氧和硅、鈣等為主,還含有一些其他的元素,根據產地不同,其元素豐度會有區別。

在太空漂浮著的小行星有巖石的,也有冰體的,有的是在太陽系形成初期殘留下來的,有的是在天體撞擊中破碎漂流的,其成分都是太陽系應有的成分,只不過由于成因不一樣,各種成分含量不同罷了。

宇宙中所有恒星系統的形成和演化大致都差不多,因此太陽系石頭的來歷也可視為宇宙中石頭的來歷。這個問題就說到這里,有什麼問題,可在評論區留言。歡迎討論,感謝閱讀。

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