宇宙中的氘和氚是怎么产生的？ 第1页

这真是一个好问题，涉及到宇宙的诞生和演化，地球上的水从哪里来等命题。

先给急性子的朋友直接公布答案吧：

1，宇宙中所有的氘几乎都来自宇宙创生之初的“大爆炸核合成”（BBN）

2，宇宙中的氚主要来自宇宙射线

话说宇宙大爆炸之后10秒到2分钟左右，宇宙中充满了高能光子，处于“光子时代”。

如果没有这些高能光子，在高温高压之下，质子和中子会开始结合生成氘核。可惜的是，高能光子对质子和中子们说：“对不起，你们还未到法定结婚年龄！”这种“秦晋之好”的行为被它们强行“拦阻”了。

两分钟以后，质子和中子们“法定结婚年龄”终于到了，由于宇宙继续膨胀，能量密度继续下降，高能光子再也无力阻止核子们的“明媒正娶”，终于发生了一件在元素周期表上具有划时代意义的大事，“大爆炸元素加工厂”开工啦！耐不住寂寞的质子和中子干柴烈火般的结合到一起，更加复杂的原子核陆续出现了！

可惜的是，这座元素加工厂只开工了18分钟就关门打烊了，产品名单也极为有限，只有氘（氢2）、氦3、氦4和极少的锂7，理论上还应该有一些极其罕见的铍7、铍8，但它们的寿命都太短，基本上也可以忽略不计了。

这18分钟被叫做“大爆炸核合成”。

按照目前的恒星理论，恒星内部应该也可以产生氘，如下图：

但氘的核反应性太强，很容易就和氢核聚变成氦3了，上图有示。按照理论，在大爆炸核合成中，应该也有一部分氘被合成了氦，但毕竟时间太短了，还有相当一部分的氘成为“漏网之鱼”，也就是我们目前观测到的极其痕量的氘。

另一方面，普通核聚变产生的伽马射线就可以将氘分解成质子和中子，所以恒星内部的氘很难存活下来，只是一种瞬时中间产物。

理论上，氘还可能来自重元素原子核的“团簇衰变”（类似α衰变，从重核中“剥”出来一个氘核），或由氢核吸收自然的中子而成，但这种过程的效率都很低，在宇宙中都极为罕见。

看起来，在“大爆炸核合成”之后，不存在大量产生氘的过程。而现在的宇宙中又确确实实的观察到了氘，这就在一定程度上支撑了宇宙大爆炸理论。

对于微波背景辐射的观察发现，氘氢比【(D/H) ratio】约为27ppm，可以代表宇宙刚刚创生时的比例。而银河系的星云里这个数字大约只有23ppm，看来，在宇宙138亿年的演化中，银河系中已经有4ppm的氘被恒星的核聚变消耗了。

而木星由于未发生核聚变，可以认为它代表了原初太阳系的物质浓度，木星氘氢比为22ppm，与银河系相差不大。太阳外层大气与木星几乎相同，这也是一个旁证。

然而到了地球上，这个比例却似乎“失调”了！

地球表面的氘氢比竟然高达156ppm，这又如何解释呢？

难道地球不是本太阳系的原住民，而是真的来自外太阳系，甚至从外银河系“流浪”过来的？

科学家们观察到海尔波普彗星和哈雷彗星的氘氢比，发现高达200多ppm，因此提出了“地球表面水来自彗星”的理论。

后来更是观察到哈特利2号彗星的氘氢比为161ppm，和地球相差无几，这是上述理论的一个强有力的证据。

但近年来，对于小行星“67P /丘留莫夫–格拉西缅科”的观测显示，这枚小行星的氘氢比竟然高达地球的三倍，因此也有提出“地球表面水来自小行星”的理论。

究竟孰是孰非，还得看后续研究了。

前图显示，大爆炸核合成（BBN）也产生了一些氚，但氚的半衰期只有4,500±8天（12.32±0 .02年），所以138亿年前的氚早就没有了。

由于氚如此短命，宇宙中目前能观测到的氚都是动态合成的，主要来自宇宙射线中的快中子与氮原子核的反应，如下：

在核武器爆炸或核反应堆中也有若干机制导致氚的产生，但不属于自然反应了。

参考：

1，The deuterium abundance in Jupiter and Saturn from ISO-SWS observations