[科普中國]-天然元素從哪來 宇宙熔爐無所不能

氦聚變形成氧元素的過程

大質(zhì)量恒星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

超新星1987A爆發(fā)后留下的遺跡

雙中子星并和模擬圖

近日，天文學家將目光對準仙后座A和蟹狀星云這兩個著名的超新星遺跡，發(fā)現(xiàn)宇宙中磷的數(shù)量遠低于我們的想象。磷元素多形成于超新星爆發(fā)，是許多重要生命活動的必要元素。這項研究讓天文學家對尋找外星生命有了新看法，也讓人們再次體會到近在身旁的元素與遙遠的星星們之間的微妙聯(lián)系。那么，元素周期表上的天然元素，與星星們到底有何聯(lián)系？

來自宇宙起點的氫和氦

大約138億年前，宇宙從一個極端致密的“點”爆炸開來，然后急速膨脹。原始的宇宙中有電子和其他各種基本粒子。僅幾小時之后，氫和氦就已形成，同時還有極少量的鋰和鈹。

氫，雖然在現(xiàn)在的地球上看似微不足道，卻是宇宙萬物的老祖宗。當氫氣團的中心溫度達到幾千萬攝氏度時，中心的氫就會發(fā)生“聚變”，轉(zhuǎn)變?yōu)楹?，這代表著恒星的誕生。第一批恒星在宇宙大爆炸后約1億多年就開始形成。這些恒星不僅照亮了黑暗的宇宙，更引發(fā)后續(xù)的各種反應(yīng)。

小巧緊致的鋰工廠

如果恒星的質(zhì)量不超過太陽的8倍，它們的中心最多只能由氦聚變?yōu)樘己脱?，而后不再燃燒。到了晚年，它外層的氫和氦脫離出去成為美麗的行星狀星云，暴露出里面碳和氧構(gòu)成的星體。它們的溫度超過一萬度，顏色發(fā)白；但它們體積很小，所以亮度很低。因此，它們被稱為白矮星。

那些類似于太陽的恒星所形成的白矮星，會在漫長的歲月里慢慢冷卻、變黑。但有些白矮星的生命歷程卻要精彩得多，因為它們位于雙星系統(tǒng)。組成雙星的兩顆恒星繞著共同的中心旋轉(zhuǎn)。如果其中一顆恒星變?yōu)榘装嵌硪活w依然是正常恒星，前者就會從后者那里吸走氣體。

隨著氣體在白矮星表面累積，白矮星表面的溫度也越來越高，最終氣體被點燃，發(fā)出一陣強光，仿佛枯木逢春、回光返照。這個現(xiàn)象被稱為新星。這個過程除了發(fā)光之外，還合成了鋰。宇宙中大部分鋰通過這種方式形成。這個過程可以每隔一段時間就發(fā)生一次。

恒星演化的產(chǎn)物

如果白矮星吸取了太多氣體或者干脆和另一個白矮星撞在一起時，就會發(fā)生猛烈而徹底的爆炸，成為超新星。但這并不是超新星形成的唯一途徑。那些質(zhì)量超過8個太陽質(zhì)量的星體，大部分會爆炸成超新星。

超新星會將大量輕元素燒成中等質(zhì)量元素，我們元素周期表前30位的元素基本上都在這個時候之前合成或者在爆炸后合成。特別是，50億攝氏度以上的高溫可以將碳、氧或者硅燒成放射性的鎳，放射性鎳衰變成放射性鈷，再衰變成穩(wěn)定的鐵。宇宙中的鐵幾乎都是這么形成的。

超新星不僅發(fā)出強光，更把恒星辛辛苦苦燃燒千萬年煉出的以中等質(zhì)量元素為主的各種物質(zhì)和爆炸后合成的物質(zhì)都拋到太空，凝結(jié)成塵埃，散布在宇宙中。上述新聞中的磷就是超新星爆發(fā)前被燒出來、爆炸后被拋出去的。

碰撞出來的黃金白銀

質(zhì)量超過太陽8倍的恒星，在爆炸成超新星后，一般會在中心留下一個被嚴重擠壓后形成的中子星或者黑洞。如果雙星系統(tǒng)中的成員相繼爆炸成超新星，而且留下來的中子星依然在這個雙星系統(tǒng)里，這兩個中子星就會在此后不斷繞著共同的中心旋轉(zhuǎn)，輻射出引力波，損失能量，導致軌道收縮，不斷靠近，經(jīng)過大約幾億年后，碰到一起。

中子星與中子星碰撞后形成黑洞或者超級大的中子星；中子星與黑洞并合形成黑洞。在這兩類碰撞過程中，都會有少部分中子星碎片被拋到太空中。中子星的碎片里一開始幾乎全是中子，隨后一部分中子變成質(zhì)子，碎片里開始形成比鐵更重的重元素，比如金、銀、鈾，等等。這些中子星碎片里形成的重元素也被拋灑到太空中。據(jù)估計，一對中子星碰撞所拋出的中子星碎片里形成的黃金可達到幾十到幾百個地球那么重。中子星碰撞后拋出的碎片不僅合成了金、銀等穩(wěn)定元素，還合成了大量放射性元素，他們會衰變、裂變，釋放出大量能量，將碎片自身加熱，使其發(fā)光，最亮時雖然沒有超新星那么亮，卻可以達到新星亮度的一千倍左右，因此被稱為千新星。2017年8月，天文學家首次觀測到雙中子星并合前后發(fā)出的引力波，并在大約10小時后發(fā)現(xiàn)了中子星碎片形成的千新星現(xiàn)象，從而徹底證實了中子星并合可以合成大量重元素這個猜想。

“我們都是星塵”

在超新星爆炸和中子星碰撞后，它們所合成的那些元素是如何凝聚成像地球這樣的行星？可以想象一個圖景：約50億年前，一團氫氣裹著附近的超新星爆炸和中子星碰撞所噴發(fā)出的各種物質(zhì)，緩慢旋轉(zhuǎn)，形成一個巨大的盤。到大約46億年時，氫氣團內(nèi)部被點燃，形成太陽；盤里的各類塵埃、沙石、水凝結(jié)成地球和其他行星。

又經(jīng)過若干億年，一些富含水的彗星碎片陸續(xù)掉到地球，為地球貢獻了大量額外的水，壯大了海洋。海洋里慢慢形成了最簡單的生命，并一步步進化為魚，部分魚類上岸，進化成人類與其他各種陸地動植物。所以，現(xiàn)在我們知道：火箭里的氫來自宇宙大爆炸；氦氣球里的氦來自宇宙大爆炸和恒星燃燒；手機的鋰電池中的鋰大多數(shù)來自白矮星驅(qū)動的新星爆發(fā)；水里面的氧元素是恒星內(nèi)部合成后被超新星噴發(fā)出來的；菜刀和我們血液內(nèi)的鐵也來自超新星；金銀等重金屬大多來自中子星碰撞，而中子星來自超新星爆炸，所以它們間接地來自超新星。

著名的科普作家卡爾·薩根曾經(jīng)說過一句名言：“我們都是星塵?！钡厍蛏系?2種自然元素都來自宇宙中的各種活動?，F(xiàn)在，憑借天文學家的多年努力，我們可以更清晰地知道構(gòu)成我們身體和宇宙萬物的星塵的具體來源，知道元素周期表中的天然元素分別來自哪些天體物理過程。

（作者系南京大學天文與空間科學學院、加州大學伯克利分校天文系博士生）