所有的元素實(shí)際上只是大爆炸后最初幾分鐘形成的氫原子的重新排列。從那以后，它們變成了這樣或那樣的元素，游蕩于整個(gè)宇宙當(dāng)中。其中有一些來到了地球，創(chuàng)造了這里的一切，包括我們……
（圖源：bibalex.org）
撰文 | Zwicky
有一天，我們的太陽真的會(huì)像《流浪地球》中所描述的那樣，走向死亡嗎？答案是肯定的，只不過那將發(fā)生在非常遙遠(yuǎn)的幾十億年后。
事實(shí)上，不只太陽，我們在夜空中看到的所有恒星，都有各自的生命周期。這似乎是一個(gè)非常可怕的事實(shí)，但我們還需要記住的是，如果沒有一代又一代恒星的毀滅和誕生，就不可能有人類的存在。這是因?yàn)?span style="color: rgb(64, 118, 0);">流淌在我們血液中的鐵、骨頭中的鈣、肺中的氧……都來自于星塵。
研究發(fā)現(xiàn)，生命所必須的六種元素遍布在銀河系，其中包括六種構(gòu)成生命的關(guān)鍵元素：碳、氫、氮、氧、磷和硫，它們被稱為CHNOPS。人體質(zhì)量的>97%都是由這些元素構(gòu)成的。圖中不同顏色代表不同的元素，以及跟人體的關(guān)聯(lián)，比如肺中的氧到骨骼中的磷。光譜的凹陷的大小代表了元素在恒星大氣的總量。（圖源：Dana Berry/SkyWorks Digital Inc.; SDSS collaboration）
2019年，是門捷列夫提出元素周期表的150周年。過去，科學(xué)家忙于尋找不同的元素，試圖填滿元素周期表，并且研究這些元素的性質(zhì)。但讓一些研究人員好奇的是，這些元素究竟是從何而來的？它們是在宇宙誕生后就全都產(chǎn)生的？還是于宇宙漫長的演化中，在不同的物理過程中形成的？
形成新元素的過程被稱為核合成?？茖W(xué)家已經(jīng)確定，絕大多數(shù)的元素都是在恒星熾熱的生命和壯麗的死亡過程中形成的。它們現(xiàn)在遍布星系，為下一代恒星和行星注入了化學(xué)多樣性。
事實(shí)上，地球上的每一種元素（除了由人類合成的少數(shù)幾種元素），都是從45億年前誕生了太陽系的星云中繼承下來的。這包括摩天大樓里的鐵、電腦里的硅、珠寶里的金、骨頭里的鈣……這些元素，將我們與我們的星系以及我們的宇宙緊密地聯(lián)系了在一起。
現(xiàn)在，讓我們回到宇宙誕生之初，開始我們的元素形成之旅。
第一批化學(xué)元素
在大爆炸后的15分鐘，宇宙逐漸的膨脹和冷卻，產(chǎn)生了第一批化學(xué)元素：氫（原子序數(shù)為1）、氦（原子序數(shù)為2）和微量的鋰（原子序數(shù)為3）。在宇宙只包含這些大爆炸元素時(shí)，幾乎不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的分子。
今天，氫和氦依舊占據(jù)了98%的宇宙，它們是恒星的主要成分。這一發(fā)現(xiàn)源自于1925年，當(dāng)時(shí)年僅25歲的Cecilia Payne-Gaposchkin在博士論文中發(fā)表了對太陽成分的第一次精確估計(jì)，推翻了過去人們普遍認(rèn)為的觀點(diǎn)：太陽與地球相似。
在哈佛大學(xué)的Cecilia Payne-Gaposchkin（圖源：Smithsonian Institution）
第一批恒星
大約在大爆炸的一億年后，宇宙中的誕生了。在此之前，氣體還沒有冷卻到足以使引力克服熱壓，并將氣體坍縮成恒星的程度。第一批恒星的形成不同于其他所有恒星，因?yàn)檫@種氣體的組成反應(yīng)了大爆炸的核合成，所以不含碳和氧。這些恒星非常巨大，在數(shù)百萬年間，它們通過“燃燒”氫氣產(chǎn)生能量——通過核聚變將原子結(jié)合成氦，就像今天在太陽內(nèi)部發(fā)生的一樣。
但最終，所有的恒星都會(huì)耗盡氫燃料。然后它們開始以越來越快的速度制造越來越多的重元素。
在一段時(shí)間內(nèi)，恒星內(nèi)的氦會(huì)轉(zhuǎn)化為碳（原子序數(shù)為6）和氧（原子序數(shù)為8）。在一顆大質(zhì)量恒星生命的最后幾百年，它將碳轉(zhuǎn)化成鈉（原子序數(shù)為11）和鎂（原子序數(shù)為12）等元素。
在最后幾周，氧原子聚變成硅（原子序數(shù)為14）、磷（原子序數(shù)為15）和硫（原子序數(shù)為16）。在恒星漫長生命的最后幾天，它會(huì)產(chǎn)生像鐵（原子序數(shù)為26）這樣的金屬。
接下來發(fā)生的事件被天文學(xué)家稱之為“鐵災(zāi)難”。聚變無法結(jié)合比鐵更重的元素，所以恒星會(huì)突然耗盡能量。
在不到一秒種的時(shí)間里，恒星會(huì)在自身的引力下坍縮，然后爆炸成超新星，向宇宙中噴射出新生成的元素。
超新星還能釋放宇宙射線（被加速至接近光速的粒子）。這些宇宙射線的能量足以分裂較大的原子核，通過裂變產(chǎn)生新元素。這個(gè)過程是宇宙中的鋰（原子序數(shù)為3）、鈹（原子序數(shù)為4）和硼（原子序數(shù)為5）的主要來源。
中子星合并
基于英國天文學(xué)家Fred Hoyle的工作，在恒星中形成鐵元素的想法或多或少已經(jīng)得到了證實(shí)。但其他元素的起源則更加難以確定。
1957年，一篇關(guān)于恒星核合成的具有里程碑意義的論文給出了答案。這篇論文被簡稱為B2FH，以由撰寫它的天文學(xué)家Margaret Burbidge和她的丈夫Geoffery Burbidge，以及William Fowler和Hoyle這四位作者姓氏的首字母命名的。
當(dāng)像碳或鐵這樣的種子原子受到中子轟擊，并在其原子核中將中子捕獲時(shí)，重元素就形成了。B2FH闡述了這個(gè)過程是如何快速或緩慢發(fā)生的物理機(jī)制。
快速發(fā)生的過程被稱為快中子捕獲過程（或“R過程”），超新星是它的一個(gè)顯而易見的候選。但近年來，科學(xué)家們開始對此產(chǎn)生質(zhì)疑。因?yàn)榧词故窃诰薮蟮某滦潜ㄖ?，可能也沒有足夠的能量去產(chǎn)生所有這些元素。
天文學(xué)家在對一個(gè)包含了大量金和其他重元素的小型星系進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，如果這些元素都是來自超新星，那就意味著需要大量的超新星爆發(fā)，而這很可能把星系炸開。
因此，科學(xué)家更加青睞另一種可能性：中子星之間的合并。
大質(zhì)量恒星死亡后，就會(huì)形成超致密的球體——中子星。它們的直徑可能僅僅只有12英里大小，質(zhì)量卻可以達(dá)到太陽的2.5倍。有時(shí)候，兩顆中子星相遇，會(huì)互相旋繞，直到相撞合并。
這些合并事件會(huì)釋放出大量的中子，足以產(chǎn)生宇宙中最重的元素，比如鈾（原子序數(shù)為92）和钚（原子序數(shù)為94）。這個(gè)想法在2017年得到了支持，當(dāng)時(shí)LIGO首次探測到雙中子星的合并事件。研究人員研究了爆炸發(fā)出的光，發(fā)現(xiàn)了包括黃金在內(nèi)的重元素的證據(jù)。
不穩(wěn)定的元素
中子星的第一次合并，發(fā)生在第一代恒星死亡之后。它們向宇宙中散布了各種各樣的新原子。其中包括一些非常不穩(wěn)定的物質(zhì)，它們不再存在于我們今天的太陽系中——除了研究人員在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出的一些這樣的物質(zhì)，但它們也只存在了極短的時(shí)間。
在大爆炸后的兩億年里，就已經(jīng)創(chuàng)造了每一種元素。
但是宇宙的成分一直在變化。在接下來的10億年里，隨著更小的恒星開始形成，新的宇宙過程開始增加某些元素的豐度。
這些恒星不夠大，不能產(chǎn)生比碳和氧更重的物質(zhì)，也不能形成巨大的超新星。相反，當(dāng)它們核心的聚變停止時(shí)，它們會(huì)衰變成白矮星。
白矮星也可以碰撞，引發(fā)失控的聚變過程，將恒星中的幾乎所有物質(zhì)轉(zhuǎn)化為鐵。
在此之前，在一些低質(zhì)量恒星的漫長死亡過程中，它們也會(huì)孕育出重元素。燃燒氦時(shí)遺留下來的中子每隔幾周或幾個(gè)月，就會(huì)附著在其他元素的原子核上，形成更重的原子。
將一個(gè)鐵原子轉(zhuǎn)化為鑭（原子序數(shù)為57）或镥（原子序數(shù)為71）等稀土元素需要100多個(gè)捕獲的中子。然而，這些恒星有很多，而且它們存在的時(shí)間很長，所以它們產(chǎn)生的元素大約有一半比鐵重。
1951年，天文學(xué)家Paul Merrill發(fā)現(xiàn)了這一過程的證據(jù)。他在威爾遜山天文臺(tái)工作時(shí)，在一顆古老的恒星上發(fā)現(xiàn)了放射性元素锝（原子序數(shù)為43）。
1951年，天文學(xué)家在一顆瀕臨死亡的低質(zhì)量恒星的大氣層中發(fā)現(xiàn)了放射性元素锝（Tc）。圖中顯示部分恒星光譜的照相底片（還包含了一些其他的元素）。（圖源：參考資料[1]）
科學(xué)家知道锝是不穩(wěn)定的，很快就會(huì)衰變。Merrill意識(shí)到，這意味著它不可能繼承自一顆已經(jīng)存在數(shù)十億年的恒星。元素到達(dá)那里的唯一途徑是恒星創(chuàng)造了它。
太陽系中元素的起源（圖源：參考資料[1]）
10萬億年之后
現(xiàn)在，在大爆炸之后的138億年之后，宇宙中大約2%的氫和氦被轉(zhuǎn)化成元素周期表上的各種元素。這種轉(zhuǎn)變是復(fù)雜化學(xué)以及生物學(xué)的先決條件。
現(xiàn)存的所有元素都有著不同的數(shù)量，這取決于創(chuàng)造它們的過程的頻率和產(chǎn)生率。例如，鉑（原子序數(shù)為78）比鐵稀有一百萬倍，因?yàn)橹凶有呛喜⒉⒉唤?jīng)常發(fā)生，這也是貴金屬之所以珍貴的原因之一。
碳和氧等元素的存在有助于對星系進(jìn)行局部地冷卻，從而可以形成像太陽這樣的小恒星。而金屬的出現(xiàn)能使得恒星系統(tǒng)從環(huán)繞這些新恒星的氣體和塵埃盤中形成。
鐵相對于一些元素（例如氧）的比例的不斷增加，也增加了形成像地球這樣具有巨大地核的巖石行星的可能性（巨大的地核能發(fā)揮多種功能，例如產(chǎn)生保護(hù)生命的磁場）。
隨著宇宙的老化，元素會(huì)變得越來越重。大約10萬億年之后，宇宙的化學(xué)成分將停止變化。
關(guān)于那時(shí)的宇宙中還會(huì)剩下多少氫，仍是有爭議的話題。有些人認(rèn)為有相當(dāng)一部分的氫還將存留在星系際介質(zhì)中；也有人則認(rèn)為到了那時(shí)，大部分的氫都將被轉(zhuǎn)化。
但在某種意義上，它仍然存在，因?yàn)樗械脑貙?shí)際上只是大爆炸后最初幾分鐘形成的氫原子的重新排列。從那以后，它們變成了這樣或那樣的元素，游蕩于整個(gè)宇宙當(dāng)中。其中有一些來到了地球，創(chuàng)造了這里的一切，包括我們……
正如天文學(xué)家卡爾·薩根曾經(jīng)說過的：我們都是星塵。
同時(shí)，我們也是宇宙大爆炸的產(chǎn)物。參考資料
[1] http://science.sciencemag.org/content/363/6426/474
[2] https://www.latimes.com/science/sciencenow/la-sci-sn-periodic-table-elements-history-20190205-story.html
[3] https://news.osu.edu/the-stuff-of-the-universe-keeps-changing/
本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自“原理”公眾號(hào)
