宇宙10大神秘谜案，带你走近来自太阳的稀有元素―氦

人类曾经向外星文明发射过的5条人类文明信息，他们会收到吗？

几十年来，我们一直在向广阔的宇宙大声播送我们在地球上的存在。起初，这些尝试是偶然的。在卡尔・萨根(Carl Sagan)的著作“接触”(Contact)一书中，他推测，任何像我们一样热衷于观察星星的外星人至少和我们一样有兴趣接受高能电视广播。

　　1903年，位于堪萨斯州的德克斯特（Dexter）小镇探查到了储量厚实的地下气体资源。当地人为此沉浸在欣喜中，人人普遍以为这应是可以用作能源的自然气，而能源意味着财富和就业机会。人们兴奋地相聚在一起，围观气井的焚烧试气。通常，自然气中主要身分为甲烷，十分易燃。然而让众人大失所望的是，这里采出的地下气体竟然无法被点燃。 　　气体样品随后被送去堪萨斯大学检测，科学家发现这里的“自然气”含有一种未知的惰性身分。正所谓“因祸得福，焉知非福”，那时的人们难以意料，此处蕴藏的 “拒绝燃烧”的未知气体，日后被证实是一种比自然气加倍珍贵的战略资源。 　　这种未知气体即是稀有元素氦（Helium），它的原子序数为2 ，我们可以很容易在元素周期表的右上角找到它。
　　（图片由“最优美的化学元素周期表”网站策划者吴尔平提供）
　　太阳上的元素 　　看过“落难地球”的读者，可能还记得“氦闪”。它讲的就是当太阳焦点的氢快消耗完时，所剩的氦焦点将发生失控的核聚变反映，迅速转化为碳的历程。
　　“落难地球”中所形貌的“氦闪”（图源：cdstm.cn） 　　氦是周期表中唯一一个首先在地球之外被观察到的元素。人们在观察太阳光谱时察觉到了这种元素的踪迹。 　　1868 年，法国天文学家皮埃尔·让森（Jules Janssen）在印度观察日食时，首先注意到一条波长为587.49 nm的未知谱线。由于氦587.49 nm的谱线与钠黄光的589nm异常靠近，人们还误以为氦是与钠性子相近的一种金属。
　　氦在可见光区域的发射光谱（图源：wikipedia.org） 　　英国科学家诺曼·洛克耶（Norman Lockyer），同年也在太阳光谱中发现了这条黄线。依附敏锐的洞察力，他推测这条谱线应来自太阳上的一种新的元素，并取名为“helium” (源自希腊语太阳“helios”)，简称“He”。 　　众多的宇宙中蕴含着厚实的氦资源，氦可以占到宇宙中总元素质量的四分之一。然而，地球上的氦却少得可怜，氦气（He）的体积分数只占地球大气的约0.0005%。直到1869年门捷列夫建立最初的元素周期表时，氦元素的位置照样空缺的。 　　在地球上乐成星散出氦元素，还要等到1895年。那时，苏格兰化学家威廉·拉姆齐（William Ramsay）在用硫酸处置沥青铀矿时，发现了天生气体中有一条谱线和太阳光谱中的黄色谱线相吻合。于是，他把这份气体样品交给同在英国的洛克耶剖析。洛克耶最终确认这就是他先前在太阳光谱中发现的元素He。
　　从“副产品”到“战略资源” 　　接下来的故事，就回到文章开头提到的1905年在美国小镇的意外发现了。美国一些原本以为是自然气的气田中，发现了储量可观的氦气资源。这些氦气资源主要由含有放射性元素的矿石（例如钍和铀）的自然衰变发生，在地下密闭的空间里氦气无处逃逸，于是可以被富集到高达7%的浓度，具备开采价值。 　　正当科学家思索这种自然气气田的副产品有什么稀奇用途时，第一次世界大战的发作很快为氦气找到了的用武之地——行使其密度比空气小的特征为气艇提供浮力，用以侦查和轰炸敌方领地。更主要的是，相比另一种可以提供浮力的气体氢气，氦气因不易燃烧，保障了飞艇的安全性。至此，美国政府最先将其视为一种怪异的战略资源加以贮备，甚至在1927年颁布了氦气控制法律，克制氦气出口。 　　美国的出口禁令，迫使德国人在气艇中使用容易获取却易燃易爆的氢气，这一选择也最终酿成了1937年兴登堡号飞艇爆炸的惨剧，并随之竣事了氢气作为飞艇填充气体的历史。
　　德国兴登堡号飞艇爆炸（图源：wikipedia.org）
　　用途普遍，无可替换 　　现在，氦气的应用已经远不止一种提供浮力的气体。液氦因其沸点靠近绝对零度（-268.9℃），成为核磁共振仪器中维持磁体超导状态的必备，它在低温控制领域已经成为占比最大的应用（～30%）。 　　其他一些应用还包罗：深潜员携带的气瓶中混有适当比例的氦气以防止“减压病”和“氧中毒”的发生（因其在血液中溶解度很低）；氦气常作为示踪气体用于高精度的容器检漏（因其扩散速度快和容易检出的特点）；氦气也可以提供惰性气氛，这其中包罗填充在毛主席水晶棺中的珍爱气体（因其化学性子异常稳固）。
　　2017年美国A级氦气（纯度99.995%）的用途剖析：核磁共振成像（MRI）—30%，提供浮力—17%，实验室剖析—14%，焊接—9%，工程及科学应用—6%，气体检漏—5%，半导体制造—5%，其他—14%。 　　上述提到的应用，

银河系中央的奇异闪光 脉冲星还是暗物质？

科学家在银河系中央发现奇异闪光，但源头仍是一个未知数。一些科学家认为银河系中央的过量高能伽马辐射闪光可能由隐藏的数千颗毫秒脉冲星导致。毫秒脉冲星是磁化中子星，每秒旋转1000周，让银河系中央沐浴在过量伽马射线中。

还仅是关于地球上常见的氦同位素：氦-4（4He）。氦元素家族另有一种稳固的同位素，被称为氦-3（3He）, 由两个质子和一个中子组成。理论上，3He发生核聚变反映时，只发生没有放射性的质子，不会造成核辐射危害环境，堪称完善的绿色能源。只可惜地球上3He的储量异常少，网络和行使的难度极高。
　　氦-4和 氦-3的原子结构（图源：wikipedia.org）
　　会从地球上“消逝”的元素 　　伴随着氦元素用途被越来越多地开发，氦气资源也越发泛起求过于供的局势。在“你的手机中，有6种元素将在100年后消逝……”的问题中泛起了一个不适当用词——“元素消逝”。不少读者的谈论指出，元素不会“消逝”，只是矿产资源枯竭。然而氦元素却是个破例。氦原子由于其化学惰性，通常只以单原子氦气的形式存在【注1】；又由于相对分子质量很小，异常容易从地表逃走引力约束而流失到太空，以是氦元素成为一种正从地球上逐渐“消逝”的不能再生资源。 　　由于氦气在空气中含量极微，以是人类不得不在地下寻找它。现在使用的氦气主要来自油气钻探历程中发生的副产品。提取氦气主要行使了氦气难液化的特征，靠压缩使其他气体都凝成液体，剩下的就是对照纯净的氦气了。这一历程需要消耗许多能量，成本高昂，以是氦气含量若是太少就得不偿失了。 　　另外，形成美国堪萨斯州那样富含氦气的气田需要苛刻的地质条件。首先，气田周围要伴生铀或钍的矿石，这些元素的衰变是氦气的泉源。更主要的是，气田顶部必须有坚实不透气的岩石，才可能让氦气留存不流失。相符这些地质条件的气田在地球上并不多见。 　　虽然美国历久将氦气视为战略资源，早期甚至一度克制氦气的出口，但时至今日，美国仍是世界上氦气的主要生产国和出口国。中国是贫氦国家，现在绝大部分氦气依赖入口。 　　随着飞机手艺的成熟和快速生长，飞艇已经失去了作为交通工具的价值。80年代后，美国国家氦气贮备公司决议在市场上逐步出售那些为制作飞艇准备的氦气，以归还当初建厂时破费的成本。这导致氦气的价钱一度没有充分反映其稀缺水平。 　　人们曾经以一种异常不严肃的方式大量虚耗氦气资源——在派对和仪式中释放许多氦气填充的升空气球。这些气球一旦升空，就意味着内里的氦元素永远离开了地球。
　　一些正在升空的心形氦气填充气球（图源：pixabay.com） 　　已故诺贝尔物理学奖得主罗伯特·理查森（Robert Richardson）在2010年就曾对此提出忠告，他以为一个派对上用的升空气球就值100美元，而且氦气一旦用尽，现在几乎没有替换品。 　　地球有47亿年的历史，它用了这么长的时间来累积我们的氦贮备。而我们能在约莫100年内将其耗尽。一代人没有权力决议以后数代人的可获取量。 　　罗伯特·理查森 　　过低的氦气价钱也袭击了生产商的积极性，许多石油公司不愿意在开采自然气的同时添加网络氦气的装置。另外，伴随着氦气消耗量的日益增添，美国氦贮备逐渐消耗殆尽，我们就不难理解最近氦气价钱的逐年猛涨。
　　美国氦气储存量（虚线）和氦气价钱（实线）的对比图（图源：参考资料[3]）
　　放眼星空，展望未来 　　面临氦资源的紧缺，人们正在节省和开源两方面做出起劲。 　　虽然现在氦气填充气球依然有售卖，但在仪式上大规模释放氦气球的场景现在已经罕有。 　　在核磁共振装备中央，先前的一些花费液氦量大的仪器正逐渐被镌汰，现在的核磁共振仪许多具有优越的密闭性，以防止液氦蒸发，从而大大减少了液氦的需求量。科学家也在研究临界温度更高的超导体，以期未来液氦不再是超导领域唯一可选择的冷却方式。 　　与此同时，人们也在寻找更多的氦气泉源。除了美国，近年来富含氦气的气田在阿尔及利亚、卡塔尔和俄罗斯等国也有少量发现。 　　在地球上，氦是一种不能再生稀缺资源，但若是我们放眼地球之外，便会发现每分钟都有天文数字的氦在天生。其中，太阳就是一个伟大的氦工厂，夜以继日地把氦喷射到太空中。 　　在太阳风经常“惠顾”的月球外面，也有大量富含3He的土质。我国探月工程的一项主要设计，就是对月球3He含量和漫衍举行由空间到实地的详细勘探，而2009年放映的科幻影戏《Moon》已经展现了未来克隆人在月球上开采氦资源的场景。
　　影戏《Moon》海报（图源：atomicboysoftware.com） 　　伴随着宇航手艺的日益成熟，信赖终有一天，宇宙中其他星球会成为人类可行使资源的一部分。等到那时，氦元素欠缺的问题将会成为历史。不外在此之前，我们照样必须善待氦气，珍惜氦资源。