我們身體中的碳氧氮鈣……來自哪裡？

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，只不過那將發生在非常遙遠的幾十億年後。

事實上，不只太陽，我們在夜空中看到的所有恆星，都有各自的生命周期。這似乎是一個非常可怕的事實，但我們還需要記住的是，如果沒有一代又一代恆星的毀滅和誕生，就不可能有人類的存在。這是因為流淌在我們血液中的鐵、骨頭中的鈣、肺中的氧……都來自於星塵。

○ 研究發現，生命所必須的六種元素遍布在銀河系，其中包括六種構成生命的關鍵元素：碳、氫、氮、氧、磷和硫，它們被稱為CHNOPS。人體質量的>97%都是由這些元素構成的。圖中不同顏色代表不同的元素，以及跟人體的關聯，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恆星大氣的總量。| 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，科學家忙於尋找不同的元素，試圖填滿元素周期表，並且研究這些元素的性質。但讓一些研究人員好奇的是，這些元素究竟是從何而來的？它們是在宇宙誕生後就全都產生的？還是於宇宙漫長的演化中，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。科學家已經確定，絕大多數的元素都是在恆星熾熱的生命和壯麗的死亡過程中形成的。它們現在遍布星系，為下一代恆星和行星注入了化學多樣性。

事實上，地球上的每一種元素（除了由人類合成的少數幾種元素），都是從45億年前誕生了太陽系的星雲中繼承下來的。這包括摩天大樓里的鐵、電腦里的硅、珠寶里的金、骨頭裡的鈣……這些元素，將我們與我們的星系以及我們的宇宙緊密地聯繫了在一起。

現在，讓我們回到宇宙誕生之初，開始我們的元素形成之旅。

1.

在大爆炸後的15分鐘，宇宙逐漸的膨脹和冷卻，產生了第一批的化學元素：氫（原子序數為1）、氦（原子序數為2）和微量的鋰（原子序數為3）。在宇宙只包含這些大爆炸元素時，幾乎不會發生化學反應，也不會產生複雜的分子。

今天，氫和氦依舊佔據了98%的宇宙，它們是恆星的主要成分。這一發現源自於1925年，當時年僅25歲的Cecilia Payne-Gaposchkin在博士論文中發表了對太陽成分的第一次精確估計，推翻了過去人們普遍認為的觀點：太陽與地球相似。

○ 在哈佛大學的Cecilia Payne-Gaposchkin。| 圖片來源：Smithsonian Institution

大約在大爆炸的一億年後，宇宙中的第一批恆星誕生了。在此之前，氣體還沒有冷卻到足以使引力克服熱壓，並將氣體坍縮成恆星的程度。第一批恆星的形成不同於其他所有恆星，因為這種氣體的組成反應了大爆炸的核合成，所以不含碳和氧。這些恆星非常巨大，在數百萬年間，它們通過」燃燒「氫氣產生能量——通過核聚變將原子結合成氦，就像今天在太陽內部發生的一樣。

但最終，所有的恆星都會耗盡氫燃料。然後它們開始以越來越快的速度製造越來越多的重元素。

在一段時間內，恆星內的氦會轉化為碳（原子序數為6）和氧（原子序數為8）。在一顆大質量恆星生命的最後幾百年，它將碳轉化成鈉（原子序數為11）和鎂（原子序數為12）等元素。

在最後幾周，氧原子聚變成硅（原子序數為14）、磷（原子序數為15）和硫（原子序數為16）。在恆星漫長生命的最後幾天，它會產生像鐵（原子序數為26）這樣的金屬。

接下來發生的事件被天文學家稱之為」鐵災難「。聚變無法結合比鐵更重的元素，所以恆星會突然耗盡能量。

在不到一秒種的時間裡，恆星會在自身的引力下坍縮，然後爆炸成超新星，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，通過裂變產生新元素。這個過程是宇宙中的鋰（原子序數為3）、鈹（原子序數為4）和硼（原子序數為5）的主要來源。

2.

基於英國天文學家Fred Hoyle的工作，在恆星中形成鐵元素的想法或多或少已經得到了證實。但其他元素的起源則更加難以確定。

1957年，一篇關於恆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。

當像碳或鐵這樣的種子原子受到中子轟擊，並在其原子核中將中子捕獲時，重元素就形成了。B2FH闡述了這個過程是如何快速或緩慢發生的物理機制。

快速發生的過程被稱為快中子捕獲過程（或「R過程」），超新星是它的一個顯而易見的候選。但近年來，科學家們開始對此產生質疑。因為即使是在巨大的超新星爆炸中，可能也沒有足夠的能量去產生所有這些元素。

天文學家在對一個包含了大量金和其他重元素的小型星系進行研究後發現，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，而這很可能把星系炸開。

因此，科學家更加青睞另一種可能性：中子星之間的合併。

大質量恆星死亡後，就會形成超緻密的球體——中子星。它們的直徑可能僅僅只有12英里大小，質量卻可以達到太陽的2.5倍。有時候，兩顆中子星相遇，會互相旋繞，直到相撞合併。

這些合併事件會釋放出大量的中子，足以產生宇宙中最重的元素，比如鈾（原子序數為92）和鈈（原子序數為94）。這個想法在2017年得到了支持，當時LIGO首次探測到雙中子星的合併事件。研究人員研究了爆炸發出的光，發現了包括黃金在內的重元素的證據。

3.

中子星的第一次合併，發生在第一代恆星死亡之後。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定的物質，它們不再存在於我們今天的太陽系中——除了研究人員在實驗室中創造出的一些這樣的物質，但它們也只存在了極短的時間。

在大爆炸後的兩億年里，就已經創造了每一種元素。

但是宇宙的成分一直在變化。在接下來的10億年里，隨著更小的恆星開始形成，新的宇宙過程開始增加某些元素的丰度。

這些恆星不夠大，不能產生比碳和氧更重的物質，也不能形成巨大的超新星。相反，當它們核心的聚變停止時，它們會衰變成白矮星。

白矮星也可以碰撞，引發失控的聚變過程，將恆星中的幾乎所有物質轉化為鐵。

在此之前，在一些低質量恆星的漫長死亡過程中，它們也會孕育出重元素。燃燒氦時遺留下來的中子每隔幾周或幾個月，就會附著在其他元素的原子核上，形成更重的原子。

將一個鐵原子轉化為鑭（原子序數為57）或鑥（原子序數為71）等稀土元素需要100多個捕獲的中子。然而，這些恆星有很多，而且它們存在的時間很長，所以它們產生的元素大約有一半比鐵重。

1951年，天文學家Paul Merrill發現了這一過程的證據。他在威爾遜山天文台工作時，在一顆古老的恆星上發現了放射性元素鍀（原子序數為43）。

○ 1951年，天文學家在一顆瀕臨死亡的低質量恆星的大氣層中發現了放射性元素鍀（Tc）。圖中顯示部分恆星光譜的照相底片（還包含了一些其他的元素）。|圖片來源：[1]

科學家知道鍀是不穩定的，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存在數十億年的恆星。元素到達那裡的唯一途徑是恆星創造了它。

○ 太陽系中元素的起源。| 圖片來源：[1]

4.

現在，在大爆炸之後的138億年之後，宇宙中大約2%的氫和氦被轉化成元素周期表上的各種元素。這種轉變是複雜化學以及生物學的先決條件。

現存的所有元素都有著不同的數量，這取決於創造它們的過程的頻率和產生率。例如，鉑（原子序數為78）比鐵稀有一百萬倍，因為中子星合併並不經常發生，這也是貴金屬之所以珍貴的原因之一。

碳和氧等元素的存在有助於對星系進行局部地冷卻，從而可以形成像太陽這樣的小恆星。而金屬的出現能使得恆星系統從環繞這些新恆星的氣體和塵埃盤中形成。

鐵相對於一些元素（例如氧）的比例的不斷增加，也增加了形成像地球這樣具有巨大地核的岩石行星的可能性（巨大的地核能發揮多種功能，例如產生保護生命的磁場）。

隨著宇宙的老化，元素會變得越來越重。大約10萬億年之後，宇宙的化學成分將停止變化。

關於那時的宇宙中還會剩下多少氫，仍是有爭議的話題。有些人認為有相當一部分的氫還將存留在星系際介質中；也有人則認為到了那時，大部分的氫都將被轉化。

但在某種意義上，它仍然存在，因為所有的元素實際上只是大爆炸後最初幾分鐘形成的氫原子的重新排列。從那以後，它們變成了這樣或那樣的元素，遊盪於整個宇宙當中。其中有一些來到了地球，創造了這裡的一切，包括我們……

正如天文學家卡爾·薩根曾經說過的：我們都是星塵。

同時，我們也是宇宙大爆炸的產物。

參考來源：

[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/

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