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(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?？膳碌氖聦?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)榱魈试谖覀冄褐械蔫F,、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(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,。

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(shí),，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(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?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(shí)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(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,。

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(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(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)。

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(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(shí)遺留下來的中子每隔幾周或幾個(gè)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(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(dá)那里的唯一途徑是恒星創(chuàng)造了它,。

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