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(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。| 圖片來源：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。
1.
在大爆炸后的15分鐘，宇宙逐漸的膨脹和冷卻，產(chǎn)生了第一批的化學(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，幾乎不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不會產(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(rèn)為的觀點：太陽與地球相似。
○ 在哈佛大學(xué)的Cecilia Payne-Gaposchkin。| 圖片來源：Smithsonian Institution
大約在大爆炸的一億年后，宇宙中的第一批恒星誕生了。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(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(nèi)，恒星內(nèi)的氦會轉(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(chǎn)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。
2.
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。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，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(xué)家們開始對此產(chǎn)生質(zhì)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(chǎn)生所有這些元素。
天文學(xué)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(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(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）。這個想法在2017年得到了支持，當(dāng)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(nèi)的重元素的證據(jù)。
3.
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——除了研究人員在實驗室中創(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，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(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(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(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(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）。|圖片來源：[1]
科學(xué)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(jīng)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。| 圖片來源：[1]
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