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(xué)家將目光對(duì)準(zhǔn)仙后座A和蟹狀星云這兩個(gè)著名的超新星遺跡，發(fā)現(xiàn)宇宙中磷的數(shù)量遠(yuǎn)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(dòng)的必要元素。這項(xiàng)研究讓天文學(xué)家對(duì)尋找外星生命有了新看法，也讓人們?cè)俅误w會(huì)到近在身旁的元素與遙遠(yuǎn)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(diǎn)的氫和氦

大約138億年前，宇宙從一個(gè)極端致密的“點(diǎn)”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(shí)之后，氫和氦就已形成，同時(shí)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(dāng)氫氣團(tuán)的中心溫度達(dá)到幾千萬攝氏度時(shí)，中心的氫就會(huì)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(huì)在漫長(zhǎng)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?yàn)樗鼈兾挥陔p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(huì)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(diǎn)燃，發(fā)出一陣強(qiáng)光，仿佛枯木逢春、回光返照。這個(gè)現(xiàn)象被稱為新星。這個(gè)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(gè)過程可以每隔一段時(shí)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(gè)白矮星撞在一起時(shí)，就會(huì)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(gè)太陽質(zhì)量的星體，大部分會(huì)爆炸成超新星。

超新星會(huì)將大量輕元素?zé)芍械荣|(zhì)量元素，我們?cè)刂芷诒砬?0位的元素基本上都在這個(gè)時(shí)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(qiáng)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(huì)在中心留下一個(gè)被嚴(yán)重?cái)D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(gè)雙星系統(tǒng)里，這兩個(gè)中子星就會(huì)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(dǎo)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(jí)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(huì)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(jì)，一對(duì)中子星碰撞所拋出的中子星碎片里形成的黃金可達(dá)到幾十到幾百個(gè)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(huì)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?xí)r雖然沒有超新星那么亮，卻可以達(dá)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(xué)家首次觀測(cè)到雙中子星并合前后發(fā)出的引力波，并在大約10小時(shí)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(shí)了中子星并合可以合成大量重元素這個(gè)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(gè)圖景：約50億年前，一團(tuán)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(gè)巨大的盤。到大約46億年時(shí)，氫氣團(tuán)內(nèi)部被點(diǎn)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(xiàn)了大量額外的水，壯大了海洋。海洋里慢慢形成了最簡(jiǎn)單的生命，并一步步進(jìn)化為魚，部分魚類上岸，進(jìn)化成人類與其他各種陸地動(dòng)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(jī)的鋰電池中的鋰大多數(shù)來自白矮星驅(qū)動(dòng)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。”地球上的92種自然元素都來自宇宙中的各種活動(dòng)?，F(xiàn)在，憑借天文學(xué)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。