寫給大自然母親：生命元素的誕生

今天是母親節，古語云：「身體髮膚,受之父母,不敢毀傷,孝之始也。」在感恩母親的同時，你是否也好奇這大千世界的林林總總又是受之於誰呢？為何在浩瀚的宇宙中，氫和氦含量如此高，而如金銀等貴金屬含量卻少得可憐呢？

今天企鵝號【中國星空攝影聯盟】為大家分享一個有趣的故事，告訴你：其實我們都來自星辰。

這是哈勃望遠鏡迄今為止拍攝的最具有標誌性的照片之一，創世之柱正是恆星的形成區。

【不得了！我發現了「鍀」！】

66年前，加利福尼亞，威爾遜天文台，夜晚的寧靜褪去了幾分夏日的燥熱，一切都顯得那麼安靜，畫面彷彿定格在這個瞬間，只有蛙叫蟲鳴在提醒人們時光的流逝。

天文台內還依稀亮著燈光，球形的大建築上方裂開一個口子，隱約能看到其中碩大的望遠鏡口。保羅·梅里爾（Paul W.Merrill）坐在天文台的辦公室內，手裡拿著前些天望遠鏡拍下的照片，正目不轉睛的盯著看。

在威爾遜天文台觀測的梅里爾

照片上時一系列的光譜譜圖，這種圖片是「星星的指紋」，我們根據圖譜上高低不同的峰，來推斷星星的組成成分。當梅里爾翻到一張「仙女座R星變星」的圖譜時，他驚呆了，圖片上赫然聳立著一個吸收峰，而那個吸收峰代表著元素「鍀」。

鍀最長壽命同位素的半衰期是400萬年，By Erin O"s Donnell

這是個不得了的發現，因為鍀（Tc）向來被認為是不穩定的人造元素，人們只在鈾裂變反應堆中發現了它。而在自然界，從來沒有發現過穩定存在的鍀元素，事實上，任何來自地球地殼的這種元素的礦物早已衰變，變成了更加穩定元素，比如釕或鉬。（其壽命最長的同位素的半衰期是4百萬年。）

那麼問題來了，為什麼這顆離我們百萬光年之遙的變星上會有「鍀」呢？

梅里爾敏銳的抓住了問題的關鍵，經過仔細的分析，他一針見血的指出：重元素來自恆星。這是一個劃時代的發現，不僅揭示了元素生成的原理，也打開了通往宇宙起源的大門。這一發現被刊登在1952年的《科學》雜誌上，引起了極大的關注。

【核聚變】

時隔半個多世紀，這一理論已經被很好的完善和證實了，但不論從哪個角度講，核聚變都是理論的核心。

太陽的內核結構

讓我們把目光投向一顆正在發光發熱的恆星上。恆星的狀態取決於兩個基本力量的角逐：一是引力，它將所有的物質往裡拉；二是輻射壓，來源於恆星內部的核聚變。兩種力量平衡時，恆星就處於相對穩定的狀態。

一般而言，恆星一生中大部分時間都在燒氫（H）產氦（He），內核源源不斷將氫核聚變變成氦。當氫燒完的時候，恆星向外擴張的力就變弱了，此時向內聚的引力佔主導地位，恆星內核開始坍縮，導致壓力和溫度大幅升高，直到達到發生氦核聚變的條件。恆星開始燃燒氦（He），生成碳（C）到氧（O）。

恆星的一生，我們的太陽屬於第一條線，最終會演化為紅巨星和白矮星

上述過程會依次類推，當氦燃燒殆盡後，恆星進一步坍縮，內核的溫度和壓力又上升一個台階，進而可以聚變更重的元素，這一過程會一直持續到鐵（Fe）。當然，並不是所有恆星都能順利完成以上過程，這一漫長的過程和恆星的質量息息相關。

比如，如果恆星的質量不夠大，那麼在恆星內核燒完氦（He），開始燃燒碳（C）的時候，會產生大量的中微子，碳的燃燒速度極快，加上中微子並不會和其他物質反應，於是它們便如「秋風掃落葉」般，迅速被吹散。只留下孤零零的內核，這便是白矮星和行星狀星雲的產生過程。

各種美麗的行星狀星雲，其中心有一顆白矮星，By ESO & NASA

各種美麗的行星狀星雲，其中心有一顆白矮星，By ESO & NASA

【為什麼是鐵？】

如上文所說，大質量恆星會繼續往複著坍縮，核聚變，產生重元素的過程，直到鐵（Fe）。為什麼是鐵呢？因為鐵的結合能最大，你可以簡單的理解為「鐵核聚變」得不償失，反而會損失能量。

於是當鐵元素聚集在恆星內核時，內核會迅速冷卻，並變得異常緻密，當壓力再度增加，恆星就會變成超新星，伴隨著巨大的爆炸將星際物質拋撒出去。在這一過程中，恆星的外層物質被吹出，大量中微子會和輕元素反應生成更重放射性元素，它們會進而衰變成比鐵更重的元素。

著名的蟹狀星雲就是超新星爆發後的殘骸，By NASA/

現在你知道了，你的每一串黃金項鏈，每一顆鉑金戒指，都是更古老恆星曆經幾十億年孕育出的珍貴精華。其實不光如此，地球上甚至太陽系內現有的所有元素都是上一代恆星死亡留下的「遺產」，從火星上荒涼的平原到月面上的一粒塵埃，從木衛二冰層下的巨大海洋到地球上生命的奇蹟，所有的一切，都源於星辰。

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身體髮膚,受之父母；宇宙一切，受之星辰。

文：於新陽 / 中國星空攝影聯盟；

參考文獻：

[1]https://msutoday.msu.edu/news/2018/elements-from-the-stars-the-unexpected-discovery-that-upended-astrophysics-66-years-ago/

[2]https://www.sciencealert.com/elements-in-the-stars?perpetual=yes&limitstart=1

[2]https://www.sciencealert.com/elements-in-the-stars?perpetual=yes&limitstart=1

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