所有的元素实际上只是大爆炸后最初几分钟形成的氢原子的重新排列。从那以后，它们变成了这样或那样的元素，游荡于整个宇宙当中。其中有一些来到了地球，创造了这里的一切，包括我们……
（图源：bibalex.org）
撰文 | Zwicky
有一天，我们的太阳真的会像《流浪地球》中所描述的那样，走向死亡吗？答案是肯定的，只不过那将发生在非常遥远的几十亿年后。
事实上，不只太阳，我们在夜空中看到的所有恒星，都有各自的生命周期。这似乎是一个非常可怕的事实，但我们还需要记住的是，如果没有一代又一代恒星的毁灭和诞生，就不可能有人类的存在。这是因为流淌在我们血液中的铁、骨头中的钙、肺中的氧……都来自于星尘。
研究发现，生命所必须的六种元素遍布在银河系，其中包括六种构成生命的关键元素：碳、氢、氮、氧、磷和硫，它们被称为CHNOPS。人体质量的>97%都是由这些元素构成的。图中不同颜色代表不同的元素，以及跟人体的关联，比如肺中的氧到骨骼中的磷。光谱的凹陷的大小代表了元素在恒星大气的总量。（图源：Dana Berry/SkyWorks Digital Inc.; SDSS collaboration）
2019年，是门捷列夫提出元素周期表的150周年。过去，科学家忙于寻找不同的元素，试图填满元素周期表，并且研究这些元素的性质。但让一些研究人员好奇的是，这些元素究竟是从何而来的？它们是在宇宙诞生后就全都产生的？还是于宇宙漫长的演化中，在不同的物理过程中形成的？
形成新元素的过程被称为核合成。科学家已经确定，绝大多数的元素都是在恒星炽热的生命和壮丽的死亡过程中形成的。它们现在遍布星系，为下一代恒星和行星注入了化学多样性。
事实上，地球上的每一种元素（除了由人类合成的少数几种元素），都是从45亿年前诞生了太阳系的星云中继承下来的。这包括摩天大楼里的铁、电脑里的硅、珠宝里的金、骨头里的钙……这些元素，将我们与我们的星系以及我们的宇宙紧密地联系了在一起。
现在，让我们回到宇宙诞生之初，开始我们的元素形成之旅。
第一批化学元素
在大爆炸后的15分钟，宇宙逐渐的膨胀和冷却，产生了第一批化学元素：氢（原子序数为1）、氦（原子序数为2）和微量的锂（原子序数为3）。在宇宙只包含这些大爆炸元素时，几乎不会发生化学反应，也不会产生复杂的分子。
今天，氢和氦依旧占据了98%的宇宙，它们是恒星的主要成分。这一发现源自于1925年，当时年仅25岁的Cecilia Payne-Gaposchkin在博士论文中发表了对太阳成分的第一次精确估计，推翻了过去人们普遍认为的观点：太阳与地球相似。
在哈佛大学的Cecilia Payne-Gaposchkin（图源：Smithsonian Institution）
第一批恒星
大约在大爆炸的一亿年后，宇宙中的诞生了。在此之前，气体还没有冷却到足以使引力克服热压，并将气体坍缩成恒星的程度。第一批恒星的形成不同于其他所有恒星，因为这种气体的组成反应了大爆炸的核合成，所以不含碳和氧。这些恒星非常巨大，在数百万年间，它们通过“燃烧”氢气产生能量——通过核聚变将原子结合成氦，就像今天在太阳内部发生的一样。
但最终，所有的恒星都会耗尽氢燃料。然后它们开始以越来越快的速度制造越来越多的重元素。
在一段时间内，恒星内的氦会转化为碳（原子序数为6）和氧（原子序数为8）。在一颗大质量恒星生命的最后几百年，它将碳转化成钠（原子序数为11）和镁（原子序数为12）等元素。
在最后几周，氧原子聚变成硅（原子序数为14）、磷（原子序数为15）和硫（原子序数为16）。在恒星漫长生命的最后几天，它会产生像铁（原子序数为26）这样的金属。
接下来发生的事件被天文学家称之为“铁灾难”。聚变无法结合比铁更重的元素，所以恒星会突然耗尽能量。
在不到一秒种的时间里，恒星会在自身的引力下坍缩，然后爆炸成超新星，向宇宙中喷射出新生成的元素。
超新星还能释放宇宙射线（被加速至接近光速的粒子）。这些宇宙射线的能量足以分裂较大的原子核，通过裂变产生新元素。这个过程是宇宙中的锂（原子序数为3）、铍（原子序数为4）和硼（原子序数为5）的主要来源。
中子星合并
基于英国天文学家Fred Hoyle的工作，在恒星中形成铁元素的想法或多或少已经得到了证实。但其他元素的起源则更加难以确定。
1957年，一篇关于恒星核合成的具有里程碑意义的论文给出了答案。这篇论文被简称为B²FH，以由撰写它的天文学家Margaret Burbidge和她的丈夫Geoffery Burbidge，以及William Fowler和Hoyle这四位作者姓氏的首字母命名的。
当像碳或铁这样的种子原子受到中子轰击，并在其原子核中将中子捕获时，重元素就形成了。B²FH阐述了这个过程是如何快速或缓慢发生的物理机制。
快速发生的过程被称为快中子捕获过程（或“R过程”），超新星是它的一个显而易见的候选。但近年来，科学家们开始对此产生质疑。因为即使是在巨大的超新星爆炸中，可能也没有足够的能量去产生所有这些元素。
天文学家在对一个包含了大量金和其他重元素的小型星系进行研究后发现，如果这些元素都是来自超新星，那就意味着需要大量的超新星爆发，而这很可能把星系炸开。
因此，科学家更加青睐另一种可能性：中子星之间的合并。
大质量恒星死亡后，就会形成超致密的球体——中子星。它们的直径可能仅仅只有12英里大小，质量却可以达到太阳的2.5倍。有时候，两颗中子星相遇，会互相旋绕，直到相撞合并。
这些合并事件会释放出大量的中子，足以产生宇宙中最重的元素，比如铀（原子序数为92）和钚（原子序数为94）。这个想法在2017年得到了支持，当时LIGO首次探测到双中子星的合并事件。研究人员研究了爆炸发出的光，发现了包括黄金在内的重元素的证据。
不稳定的元素
中子星的第一次合并，发生在第一代恒星死亡之后。它们向宇宙中散布了各种各样的新原子。其中包括一些非常不稳定的物质，它们不再存在于我们今天的太阳系中——除了研究人员在实验室中创造出的一些这样的物质，但它们也只存在了极短的时间。
但是宇宙的成分一直在变化。在接下来的10亿年里，随着更小的恒星开始形成，新的宇宙过程开始增加某些元素的丰度。
这些恒星不够大，不能产生比碳和氧更重的物质，也不能形成巨大的超新星。相反，当它们核心的聚变停止时，它们会衰变成白矮星。
白矮星也可以碰撞，引发失控的聚变过程，将恒星中的几乎所有物质转化为铁。
在此之前，在一些低质量恒星的漫长死亡过程中，它们也会孕育出重元素。燃烧氦时遗留下来的中子每隔几周或几个月，就会附着在其他元素的原子核上，形成更重的原子。
将一个铁原子转化为镧（原子序数为57）或镥（原子序数为71）等稀土元素需要100多个捕获的中子。然而，这些恒星有很多，而且它们存在的时间很长，所以它们产生的元素大约有一半比铁重。
1951年，天文学家Paul Merrill发现了这一过程的证据。他在威尔逊山天文台工作时，在一颗古老的恒星上发现了放射性元素锝（原子序数为43）。
1951年，天文学家在一颗濒临死亡的低质量恒星的大气层中发现了放射性元素锝（Tc）。图中显示部分恒星光谱的照相底片（还包含了一些其他的元素）。（图源：参考资料[1]）
科学家知道锝是不稳定的，很快就会衰变。Merrill意识到，这意味着它不可能继承自一颗已经存在数十亿年的恒星。元素到达那里的唯一途径是恒星创造了它。
太阳系中元素的起源（图源：参考资料[1]）
10万亿年之后
现在，在大爆炸之后的138亿年之后，宇宙中大约2%的氢和氦被转化成元素周期表上的各种元素。这种转变是复杂化学以及生物学的先决条件。
现存的所有元素都有着不同的数量，这取决于创造它们的过程的频率和产生率。例如，铂（原子序数为78）比铁稀有一百万倍，因为中子星合并并不经常发生，这也是贵金属之所以珍贵的原因之一。
碳和氧等元素的存在有助于对星系进行局部地冷却，从而可以形成像太阳这样的小恒星。而金属的出现能使得恒星系统从环绕这些新恒星的气体和尘埃盘中形成。
铁相对于一些元素（例如氧）的比例的不断增加，也增加了形成像地球这样具有巨大地核的岩石行星的可能性（巨大的地核能发挥多种功能，例如产生保护生命的磁场）。
随着宇宙的老化，元素会变得越来越重。大约10万亿年之后，宇宙的化学成分将停止变化。
关于那时的宇宙中还会剩下多少氢，仍是有争议的话题。有些人认为有相当一部分的氢还将存留在星系际介质中；也有人则认为到了那时，大部分的氢都将被转化。
但在某种意义上，它仍然存在，因为所有的元素实际上只是大爆炸后最初几分钟形成的氢原子的重新排列。从那以后，它们变成了这样或那样的元素，游荡于整个宇宙当中。其中有一些来到了地球，创造了这里的一切，包括我们……
参考资料
[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/
本文经授权转载自“原理”公众号
