恒星运行的旅程：化学元素的起源

　　恒星制造了地球上生命所必需的元素。图片来源：NASA

　　我相信，草的一株叶子不会比一个恒星的运作的旅程要逊色。

　　有时，诗人比科学家感知得更快。当Walt Whitman在十九世纪写下这句话时，他在以诗意的方式表达科学问题。

　　如果仅从文章的字面来看，无论如何，Whitman意识到恒星与我们身边的原子之间存在联系，要比天文学家们早的多。

　　恒星是如何产生出我们身边所看到的各种各样元素的原子的呢？

　　宇宙大爆炸：在最初的时候

　　在宇宙大爆炸期间，物质最初以单个质子的形式呈现，因此氢是唯一出现的元素。除了氢以外的元素则由包含了多个质子的原子核组成。

　　通过核聚变化合形成重元素的质子。随着宇宙的膨胀和冷却，它将迅速达到和一颗恒心核心同样的温度和密度。在这些条件下，氢聚变反应将氢转化为氦，在早期的宇宙中和星球的核心里释放能量。

　　核聚变反应将氦转化成重元素，比如碳，这个过程需要比氢聚变反应更高的温度和密度。等到宇宙包含了足够的氦使氦原子转化成碳原子时，宇宙的温度和密度已经低到使得氦聚变反应不能发生。

　　自此大爆炸不能形成比氦更重的重大质量的元素。不久之后，宇宙由大约75%的氢，大约25%的氦和微量的锂和铍组成。没有其他元素在这一阶段形成。

　　其他元素是怎样产生的呢？恒星是问题的关键。

　　恒星核合成

　　就在一颗大质量恒星爆发成为一颗超新星之前，核聚变反应会形成一个铁核心。图片来源于NASA。

　　恒星通过核聚变反应产生能量。最初的恒星在它们的核心中用与宇宙大爆炸不久后制造氦的反应相类似的反应，将氢转化成氦。所有燃料的来源一定，无论如何最终都会用尽。

　　恒星将它们的氢燃料消耗尽并留下一个氦核心，但是这时的恒星还没有消亡。氦核心会由于引力而塌缩，并增加其温度、密度和压力，直到氦燃烧发生聚变反应。两个氦原子融合形成一个铍原子。第三个氦原子快速加入并形成一个碳原子。有时第四个氦原子与碳结合形成一个氧原子。这些聚变反应在恒星核心深处发生，早在太阳系形成之前，就已经制造出了我们身体中的碳原子和氧原子。

　　艺术家观念下在高密度分子云诞生的恒星。

　　拥有和太阳差不多的质量的恒星没有足够的引力使得碳核心/氧核心塌缩而点燃碳聚变反应。在这些低质量的行星中，恒星核合成随着碳核心/氧核心停止，这些正在消亡的恒星塌缩成白矮星。随着剩余的热量消散超过十几亿年的时间，低质量恒星“温和的走进了那个良夜”。

　　大质量恒星

　　然而，大质量恒星却“咆哮吧，即使光芒即将消逝”。（Dylan Thomas）

　　大质量恒星狂暴的消亡，它们融合并循环（并利用）着较重（的）元素。有碳参与的聚变反应制造更重的元素包括氧 ，氖，钠和镁。这些原子转而融合成甚至更重的元素，一直到铁和在元素中期表中与铁临近的元素。

　　大质量恒星发展至核心坍缩前的洋葱状结构（未依照比例）。

　　然而，当大质量恒星有了铁核心，聚变反应停止了。铁不会融合成更重的元素，因为制造比铁更重的元素的聚变反应不会释放能量。它们需要能量。因此铁成为了裂变和聚变的分界。那么恒星是如何产生比铁更重的元素的呢？

　　反射星云NGC 1999是被猎户座V380（位于中心）照亮的，这颗变星的质量大约是3.5太阳质量。源自NASA影像

　　恒星通过漫长的s（slow）过程，制造出在元素周期表中比铁略微重一点的元素。在s过程中，一个中子碰撞变成一个铁原子核或者其他重原子核。这个中子会衰变成为一个质子和一个电子，这个过程被物理学家叫做β衰变。电子逃离核心。质子继续留在核心中将原子转变成在元素周期表中下一个更重的元素。制造元素的这个过程缓慢地重复着，直到到元素周期表中的铋。

　　超新星所扮演的角色

　　在超新星爆炸期间，恒星通过迅速的r（rapid）过程，制造所有比铋重的元素。当大质量恒星的铁核心因为引力而塌缩的时候，会出现II型的超新星，因为核聚变反应使向外的压力停止了。这时这个核心会像一个球一样落在地上，然后反弹而回。这种反弹引起了II型超新星的爆炸，其一年释放的能量，大约是我们的太阳在它10亿年的寿命里所释放的全部能量。

　　超新星还会创造出大量的中子，这些中子猛烈撞击原子核并通过衰变成质子的方式将其转化成新的更重的元素。大质量恒星以这种方式制造出元素周期表上的所有的元素，包括那些比铋还重的元素。

　　蟹状星云是一颗在1054年爆发的超新星遗迹。（图片来源：NASA,HST）

　　超新星还同时循环利用它们制造的重原子。如果恒星制造的重元素被遗留并困在恒星核心中，它们对宇宙没有多大好处。超新星将比氢和氦重的原子发射回星际空间。这些原子循环进入星云，形成新一代恒星。行星，比如地球，围绕着第二和第三代恒星轨道运行，因此它们拥有宇宙大爆炸没有产生出的生命所需要的重元素。

　　恒星：宇宙的坩埚

　　恒星是宇宙的坩埚，它们用火锻造出氢和氦以外的所有的元素，包括那些我们身体里的元素。比起低质量恒星“温柔的走入那个良夜”，大质量恒星死去时非常壮烈。“咆哮吧，即使光芒即将消逝”，它们在宇宙间为生命播种。我们都是恒星运行的旅程。

　　大麦哲伦星云内位于成群的气体和尘埃中的超新星遗迹N 63A

　　参考资料

　　1.WJ百科全书

　　2.天文学名词

　　3.decodedscience/Paul A. Heckert

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　　翻译：天文志愿文章组-耳边的窝

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　　2.天文学名词

　　3.原文来自：https://www. decodedscience.org/journey-work-stars-origin-chemical-elements/53853

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