恒星運行的旅程：化學(xué)元素的起源

恒星制造了地球上生命所必需的元素。圖片來源：NASA

我相信，草的一株葉子不會比一個恒星的運作的旅程要遜色。

有時，詩人比科學(xué)家感知得更快。當(dāng)Walt Whitman在十九世紀(jì)寫下這句話時，他在以詩意的方式表達(dá)科學(xué)問題。

如果僅從文章的字面來看，無論如何，Whitman意識到恒星與我們身邊的原子之間存在聯(lián)系，要比天文學(xué)家們早的多。

恒星是如何產(chǎn)生出我們身邊所看到的各種各樣元素的原子的呢？

宇宙大爆炸：在最初的時候

在宇宙大爆炸期間，物質(zhì)最初以單個質(zhì)子的形式呈現(xiàn)，因此氫是唯一出現(xiàn)的元素。除了氫以外的元素則由包含了多個質(zhì)子的原子核組成。

通過核聚變化合形成重元素的質(zhì)子。隨著宇宙的膨脹和冷卻，它將迅速達(dá)到和一顆恒心核心同樣的溫度和密度。在這些條件下，氫聚變反應(yīng)將氫轉(zhuǎn)化為氦，在早期的宇宙中和星球的核心里釋放能量。

核聚變反應(yīng)將氦轉(zhuǎn)化成重元素，比如碳，這個過程需要比氫聚變反應(yīng)更高的溫度和密度。等到宇宙包含了足夠的氦使氦原子轉(zhuǎn)化成碳原子時，宇宙的溫度和密度已經(jīng)低到使得氦聚變反應(yīng)不能發(fā)生。

自此大爆炸不能形成比氦更重的重大質(zhì)量的元素。不久之后，宇宙由大約75%的氫，大約25%的氦和微量的鋰和鈹組成。沒有其他元素在這一階段形成。

其他元素是怎樣產(chǎn)生的呢？恒星是問題的關(guān)鍵。

恒星核合成

就在一顆大質(zhì)量恒星爆發(fā)成為一顆超新星之前，核聚變反應(yīng)會形成一個鐵核心。圖片來源于NASA。

恒星通過核聚變反應(yīng)產(chǎn)生能量。最初的恒星在它們的核心中用與宇宙大爆炸不久后制造氦的反應(yīng)相類似的反應(yīng)，將氫轉(zhuǎn)化成氦。所有燃料的來源一定，無論如何最終都會用盡。

恒星將它們的氫燃料消耗盡并留下一個氦核心，但是這時的恒星還沒有消亡。氦核心會由于引力而塌縮，并增加其溫度、密度和壓力，直到氦燃燒發(fā)生聚變反應(yīng)。兩個氦原子融合形成一個鈹原子。第三個氦原子快速加入并形成一個碳原子。有時第四個氦原子與碳結(jié)合形成一個氧原子。這些聚變反應(yīng)在恒星核心深處發(fā)生，早在太陽系形成之前，就已經(jīng)制造出了我們身體中的碳原子和氧原子。

藝術(shù)家觀念下在高密度分子云誕生的恒星。

擁有和太陽差不多的質(zhì)量的恒星沒有足夠的引力使得碳核心/氧核心塌縮而點燃碳聚變反應(yīng)。在這些低質(zhì)量的行星中，恒星核合成隨著碳核心/氧核心停止，這些正在消亡的恒星塌縮成白矮星。隨著剩余的熱量消散超過十幾億年的時間，低質(zhì)量恒星“溫和的走進(jìn)了那個良夜”。

大質(zhì)量恒星

然而，大質(zhì)量恒星卻“咆哮吧，即使光芒即將消逝”。（Dylan Thomas）

大質(zhì)量恒星狂暴的消亡，它們?nèi)诤喜⒀h(huán)（并利用）著較重（的）元素。有碳參與的聚變反應(yīng)制造更重的元素包括氧，氖，鈉和鎂。這些原子轉(zhuǎn)而融合成甚至更重的元素，一直到鐵和在元素中期表中與鐵臨近的元素。

大質(zhì)量恒星發(fā)展至核心坍縮前的洋蔥狀結(jié)構(gòu)（未依照比例）。

然而，當(dāng)大質(zhì)量恒星有了鐵核心，聚變反應(yīng)停止了。鐵不會融合成更重的元素，因為制造比鐵更重的元素的聚變反應(yīng)不會釋放能量。它們需要能量。因此鐵成為了裂變和聚變的分界。那么恒星是如何產(chǎn)生比鐵更重的元素的呢？

反射星云NGC 1999是被獵戶座V380（位于中心）照亮的，這顆變星的質(zhì)量大約是3.5太陽質(zhì)量。源自NASA影像

恒星通過漫長的s（slow）過程，制造出在元素周期表中比鐵略微重一點的元素。在s過程中，一個中子碰撞變成一個鐵原子核或者其他重原子核。這個中子會衰變成為一個質(zhì)子和一個電子，這個過程被物理學(xué)家叫做β衰變。電子逃離核心。質(zhì)子繼續(xù)留在核心中將原子轉(zhuǎn)變成在元素周期表中下一個更重的元素。制造元素的這個過程緩慢地重復(fù)著，直到到元素周期表中的鉍。

超新星所扮演的角色

在超新星爆炸期間，恒星通過迅速的r（rapid）過程，制造所有比鉍重的元素。當(dāng)大質(zhì)量恒星的鐵核心因為引力而塌縮的時候，會出現(xiàn)II型的超新星，因為核聚變反應(yīng)使向外的壓力停止了。這時這個核心會像一個球一樣落在地上，然后反彈而回。這種反彈引起了II型超新星的爆炸，其一年釋放的能量，大約是我們的太陽在它10億年的壽命里所釋放的全部能量。

超新星還會創(chuàng)造出大量的中子，這些中子猛烈撞擊原子核并通過衰變成質(zhì)子的方式將其轉(zhuǎn)化成新的更重的元素。大質(zhì)量恒星以這種方式制造出元素周期表上的所有的元素，包括那些比鉍還重的元素。

蟹狀星云是一顆在1054年爆發(fā)的超新星遺跡。（圖片來源：NASA,HST）

超新星還同時循環(huán)利用它們制造的重原子。如果恒星制造的重元素被遺留并困在恒星核心中，它們對宇宙沒有多大好處。超新星將比氫和氦重的原子發(fā)射回星際空間。這些原子循環(huán)進(jìn)入星云，形成新一代恒星。行星，比如地球，圍繞著第二和第三代恒星軌道運行，因此它們擁有宇宙大爆炸沒有產(chǎn)生出的生命所需要的重元素。