所有的元素實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，游蕩于整個宇宙當中。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)生在非常遙遠的幾十億年后。
事實上，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。這似乎是一個非?？膳碌氖聦崳覀冞€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。這是因為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，其中包括六種構成生命的關鍵元素：碳、氫、氮、氧、磷和硫，它們被稱為CHNOPS。人體質量的>97%都是由這些元素構成的。圖中不同顏色代表不同的元素，以及跟人體的關聯(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。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家已經確定，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多樣性。
事實上，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。
第一批化學元素
在大爆炸后的15分鐘，宇宙逐漸的膨脹和冷卻，產生了第一批化學元素：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，幾乎不會發(fā)生化學反應，也不會產生復雜的分子。
今天，氫和氦依舊占據了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，當時年僅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，推翻了過去人們普遍認為的觀點：太陽與地球相似。
在哈佛大學的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，因為這種氣體的組成反應了大爆炸的核合成，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”氫氣產生能量——通過核聚變將原子結合成氦，就像今天在太陽內部發(fā)生的一樣。
但最終，所有的恒星都會耗盡氫燃料。然后它們開始以越來越快的速度制造越來越多的重元素。
在一段時間內，恒星內的氦會轉化為碳（原子序數(shù)為6）和氧（原子序數(shù)為8）。在一顆大質量恒星生命的最后幾百年，它將碳轉化成鈉（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，它會產生像鐵（原子序數(shù)為26）這樣的金屬。
接下來發(fā)生的事件被天文學家稱之為“鐵災難”。聚變無法結合比鐵更重的元素，所以恒星會突然耗盡能量。
在不到一秒種的時間里，恒星會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，通過裂變產生新元素。這個過程是宇宙中的鋰（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
基于英國天文學家Fred Hoyle的工作，在恒星中形成鐵元素的想法或多或少已經得到了證實。但其他元素的起源則更加難以確定。
1957年，一篇關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，重元素就形成了。B2FH闡述了這個過程是如何快速或緩慢發(fā)生的物理機制。
快速發(fā)生的過程被稱為快中子捕獲過程（或“R過程”），超新星是它的一個顯而易見的候選。但近年來，科學家們開始對此產生質疑。因為即使是在巨大的超新星爆炸中，可能也沒有足夠的能量去產生所有這些元素。
天文學家在對一個包含了大量金和其他重元素的小型星系進行研究后發(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，科學家更加青睞另一種可能性：中子星之間的合并。
大質量恒星死亡后，就會形成超致密的球體——中子星。它們的直徑可能僅僅只有12英里大小，質量卻可以達到太陽的2.5倍。有時候，兩顆中子星相遇，會互相旋繞，直到相撞合并。
這些合并事件會釋放出大量的中子，足以產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）。這個想法在2017年得到了支持，當時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)了包括黃金在內的重元素的證據。
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，它們不再存在于我們今天的太陽系中——除了研究人員在實驗室中創(chuàng)造出的一些這樣的物質，但它們也只存在了極短的時間。
在大爆炸后的兩億年里，就已經創(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，不能產生比碳和氧更重的物質，也不能形成巨大的超新星。相反，當它們核心的聚變停止時，它們會衰變成白矮星。
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轉化為鐵。
在此之前，在一些低質量恒星的漫長死亡過程中，它們也會孕育出重元素。燃燒氦時遺留下來的中子每隔幾周或幾個月，就會附著在其他元素的原子核上，形成更重的原子。
將一個鐵原子轉化為鑭（原子序數(shù)為57）或镥（原子序數(shù)為71）等稀土元素需要100多個捕獲的中子。然而，這些恒星有很多，而且它們存在的時間很長，所以它們產生的元素大約有一半比鐵重。
1951年，天文學家Paul Merrill發(fā)現(xiàn)了這一過程的證據。他在威爾遜山天文臺工作時，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，天文學家在一顆瀕臨死亡的低質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]）
科學家知道锝是不穩(wěn)定的，很快就會衰變。Merrill意識到，這意味著它不可能繼承自一顆已經存在數(shù)十億年的恒星。元素到達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%的氫和氦被轉化成元素周期表上的各種元素。這種轉變是復雜化學以及生物學的先決條件。
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生率。例如，鉑（原子序數(shù)為78）比鐵稀有一百萬倍，因為中子星合并并不經常發(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，例如產生保護生命的磁場）。
隨著宇宙的老化，元素會變得越來越重。大約10萬億年之后，宇宙的化學成分將停止變化。
關于那時的宇宙中還會剩下多少氫，仍是有爭議的話題。有些人認為有相當一部分的氫還將存留在星系際介質中；也有人則認為到了那時，大部分的氫都將被轉化。
但在某種意義上，它仍然存在，因為所有的元素實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，游蕩于整個宇宙當中。其中有一些來到了地球，創(chuàng)造了這里的一切，包括我們……
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/
本文經授權轉載自“原理”公眾號
