元素的形成之旅

地球的表面就是宇宙汪洋之濱。我們的本能告訴我們，我們是在這個大海里誕生的。我們還鄉心切。我們也會。因為宇宙也在我們之中。我們都是星塵。

——卡爾·薩根

太陽的可見光光譜，我們能從中了解的不僅是其溫度和電離，還有元素的丰度。（圖片來源：Nigel Sharp/NOAO)

元素周期表中有100多種元素，其中有91種是在地球上被自然發現的。

在下圖中我們可以看到每一種元素都有著不同的起源方式，比如氫和氦起源於宇宙大爆炸。

每種元素的主要來源。橙色（比如氫和氦）代表元素起源於宇宙大爆炸，綠色的三個元素則源自於宇宙射線，粉色的元素主要來自小恆星或大恆星（「小恆星」是指質量不足以大到成為超巨星並成為超新星的恆星），黃色元素起源於大恆星，紅色元素來自大恆星或超新星，淺藍元素主要在超新星爆發中被創造，白色為人造元素。（圖片來源：Mark R. Leach/FigShare）

但是，在宇宙大爆炸的那一刻，所有的這些元素都不存在。早期的宇宙充滿了物質和輻射，並處於極度炙熱和緻密的狀態，導致了當時已經存在的夸克和膠子無法形成質子和中子，而是處於夸克-膠子等離子體的狀態之中。（關於夸克-膠子等離子體的最新研究可閱讀：《這鍋原始熾熱的粒子湯》）

夸克膠子等離子體（圖片來源：RHIC，Brookhaven）

大爆炸一秒過後，宇宙的溫度慢慢冷卻，夸克和膠子開始形成穩定的質子和中子。

物質和反物質在宇宙初期湮滅消失，剩下的夸克和膠子冷卻後可以形成溫度的質子和中子。（圖片來源：Ethan Siegel）

縱軸為氦-4,氘, 氦-3和鋰-7相對於氫的預測丰度，橫軸為相對於質子的物質密度。（圖片來源：NASA）

經歷了數千萬年後，宇宙中終於形成了第一批恆星，製造出更多的氦氣。

藝術想像圖：最早的幾萬億顆恆星的形成、存在和死亡的宇宙初期環境，鋰不再是第三大元素。（圖片來源：NASA/ESA/ESO）

質量足夠大的恆星會演變成巨星，在核心的氦經由3氦過程（即3個氦原子核轉換成碳原子核的過程）聚變為碳，同時也產生氮，氧，氖和鎂。

一些知名恆星的赫羅圖（又稱顏色-星等圖）。最亮的紅超巨星參宿四(Betelgeuse)顯示在右上方。（圖片來源：ESO）

質量最大的恆星會變成超巨星，會在核心聚變形成更重的元素，如碳，氧，硅和硫等。

元素在超大質量恆星中聚變呈洋蔥層狀，可在短時間內形成碳、氧、硅、硫、和鐵等。（圖片來源：Nicolle Rager Fuller)

巨星和超巨星會創造出更多的自由中子，這就允許建立更重的原子核，直到元素鉛/鉍。

在恆星核心的高能階段製造的自由中子允許元素通過中子吸收和放射性衰變一次建立元素周期表。超新星和進入行星狀星雲階段的巨星都被證明可以通過s過程（或稱為慢中子捕獲過程）來實現。（圖片來源：Chuck Magee）

大多數的超巨星都會形成超新星，其中快中子（能量為1 - 20MeV的中子）被吸收，就會形成鈾及以上的元素。

超新星遺迹（左）和行星狀星雲（右）都是恆星回收他們被燒毀的重元素回到星際介質和下一代恆星和行星的方式。（圖片來源：ESO）

中子星的合并是創造宇宙中最重的元素（包括金，汞和鉑）的主要來源。

兩顆中子星碰撞，大約3-5％的質量在這樣的碰撞中被排出。（圖片來源：Dana Berry）

此外，鋰，鈹和硼是三個元素特別有意思的元素。它們既不能通過聚合更輕的元素來製造，也不可能從碳和更重的元素中製造出來。它們的形成之謎來自於像黑洞、中子等高能天體物理源產生的宇宙射線，當宇宙射線與重原子核碰撞時，會發生散裂——即產生更輕的元素。宇宙射線散裂是這三個元素的主要來源。（推薦閱讀：《三個不一般的元素》）

宇宙射線。（圖片來源：ASPERA）

最後，比剛才提到的都要更重、不穩定的元素都是在地面上的實驗室中製造出來的。

更新元素周期表：Albert Ghiorso在周期表中的103號空格寫下「Lw」（lawrencium）；其它三個人為共同發現者Robert Latimer、Torbjorn Sikkeland和Almon Larsh。這是第一個完全通過核途徑製造的元素。（圖片來源：Wikipedia）

結果就是我們今天看到的豐富多樣的宇宙。

目前，最新的元素起源的周期表是由Johnson繪製的，她用六種顏色代表不同的宇宙事件：大爆炸，宇宙射線，合并的中子星，以及三種不同類型恆星的爆炸。顏色的比例則代表了元素由不同事件產生的量。

太陽系內的元素起源周期表，六個顏色代表了不同宇宙事件。藍色：大爆炸；橙色：合并的中子星；黃色：低質量恆星的死亡；粉色：宇宙射線；綠色：爆炸的大質量恆星（超新星）；淺藍色：爆炸的白矮星。（圖片來源：Johnson）

該周期表中包含了所有組成我們身體的關鍵元素，例如，由超新星爆發產生的氧(O)、磷(P)和硫(S)，低質量恆星死亡產生的碳(C)和氮(N)。同時，宇宙中含量最豐富的氫(H)則是在一百多億年前的大爆炸中產生的。

在該周期表中有兩個用灰色表示的元素：鍀(Tc)和鉕(Pm)，以及所有超過鈾(U)的元素都沒有被包括進來，這是因為這些元素並沒有穩定的同位素。我們只有在對撞機或核彈中製造中才會看到它們。

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