恒星運(yùn)行的旅程：化學(xué)元素的起源

恒星制造了地球上生命所必需的元素。圖片來(lái)源：NASA

我相信，草的一株葉子不會(huì)比一個(gè)恒星的運(yùn)作的旅程要遜色。

有時(shí)，詩(shī)人比科學(xué)家感知得更快。當(dāng)Walt Whitman在十九世紀(jì)寫下這句話時(shí)，他在以詩(shī)意的方式表達(dá)科學(xué)問(wèn)題。

如果僅從文章的字面來(lái)看，無(wú)論如何，Whitman意識(shí)到恒星與我們身邊的原子之間存在聯(lián)系，要比天文學(xué)家們?cè)绲亩唷?/span>

恒星是如何產(chǎn)生出我們身邊所看到的各種各樣元素的原子的呢？

宇宙大爆炸：在最初的時(shí)候

在宇宙大爆炸期間，物質(zhì)最初以單個(gè)質(zhì)子的形式呈現(xiàn)，因此氫是唯一出現(xiàn)的元素。除了氫以外的元素則由包含了多個(gè)質(zhì)子的原子核組成。

通過(guò)核聚變化合形成重元素的質(zhì)子。隨著宇宙的膨脹和冷卻，它將迅速達(dá)到和一顆恒心核心同樣的溫度和密度。在這些條件下，氫聚變反應(yīng)將氫轉(zhuǎn)化為氦，在早期的宇宙中和星球的核心里釋放能量。

核聚變反應(yīng)將氦轉(zhuǎn)化成重元素，比如碳，這個(gè)過(guò)程需要比氫聚變反應(yīng)更高的溫度和密度。等到宇宙包含了足夠的氦使氦原子轉(zhuǎn)化成碳原子時(shí)，宇宙的溫度和密度已經(jīng)低到使得氦聚變反應(yīng)不能發(fā)生。

自此大爆炸不能形成比氦更重的重大質(zhì)量的元素。不久之后，宇宙由大約75%的氫，大約25%的氦和微量的鋰和鈹組成。沒有其他元素在這一階段形成。

其他元素是怎樣產(chǎn)生的呢？恒星是問(wèn)題的關(guān)鍵。

恒星核合成

就在一顆大質(zhì)量恒星爆發(fā)成為一顆超新星之前，核聚變反應(yīng)會(huì)形成一個(gè)鐵核心。圖片來(lái)源于NASA。

恒星通過(guò)核聚變反應(yīng)產(chǎn)生能量。最初的恒星在它們的核心中用與宇宙大爆炸不久后制造氦的反應(yīng)相類似的反應(yīng)，將氫轉(zhuǎn)化成氦。所有燃料的來(lái)源一定，無(wú)論如何最終都會(huì)用盡。

恒星將它們的氫燃料消耗盡并留下一個(gè)氦核心，但是這時(shí)的恒星還沒有消亡。氦核心會(huì)由于引力而塌縮，并增加其溫度、密度和壓力，直到氦燃燒發(fā)生聚變反應(yīng)。兩個(gè)氦原子融合形成一個(gè)鈹原子。第三個(gè)氦原子快速加入并形成一個(gè)碳原子。有時(shí)第四個(gè)氦原子與碳結(jié)合形成一個(gè)氧原子。這些聚變反應(yīng)在恒星核心深處發(fā)生，早在太陽(yáng)系形成之前，就已經(jīng)制造出了我們身體中的碳原子和氧原子。

藝術(shù)家觀念下在高密度分子云誕生的恒星。

擁有和太陽(yáng)差不多的質(zhì)量的恒星沒有足夠的引力使得碳核心/氧核心塌縮而點(diǎn)燃碳聚變反應(yīng)。在這些低質(zhì)量的行星中，恒星核合成隨著碳核心/氧核心停止，這些正在消亡的恒星塌縮成白矮星。隨著剩余的熱量消散超過(guò)十幾億年的時(shí)間，低質(zhì)量恒星“溫和的走進(jìn)了那個(gè)良夜”。

大質(zhì)量恒星

然而，大質(zhì)量恒星卻“咆哮吧，即使光芒即將消逝”。（Dylan Thomas）

大質(zhì)量恒星狂暴的消亡，它們?nèi)诤喜⒀h(huán)（并利用）著較重（的）元素。有碳參與的聚變反應(yīng)制造更重的元素包括氧 ，氖，鈉和鎂。這些原子轉(zhuǎn)而融合成甚至更重的元素，一直到鐵和在元素中期表中與鐵臨近的元素。

大質(zhì)量恒星發(fā)展至核心坍縮前的洋蔥狀結(jié)構(gòu)（未依照比例）。

然而，當(dāng)大質(zhì)量恒星有了鐵核心，聚變反應(yīng)停止了。鐵不會(huì)融合成更重的元素，因?yàn)橹圃毂辱F更重的元素的聚變反應(yīng)不會(huì)釋放能量。它們需要能量。因此鐵成為了裂變和聚變的分界。那么恒星是如何產(chǎn)生比鐵更重的元素的呢？

反射星云NGC 1999是被獵戶座V380（位于中心）照亮的，這顆變星的質(zhì)量大約是3.5太陽(yáng)質(zhì)量。源自NASA影像

恒星通過(guò)漫長(zhǎng)的s（slow）過(guò)程，制造出在元素周期表中比鐵略微重一點(diǎn)的元素。在s過(guò)程中，一個(gè)中子碰撞變成一個(gè)鐵原子核或者其他重原子核。這個(gè)中子會(huì)衰變成為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子，這個(gè)過(guò)程被物理學(xué)家叫做β衰變。電子逃離核心。質(zhì)子繼續(xù)留在核心中將原子轉(zhuǎn)變成在元素周期表中下一個(gè)更重的元素。制造元素的這個(gè)過(guò)程緩慢地重復(fù)著，直到到元素周期表中的鉍。

超新星所扮演的角色

在超新星爆炸期間，恒星通過(guò)迅速的r（rapid）過(guò)程，制造所有比鉍重的元素。當(dāng)大質(zhì)量恒星的鐵核心因?yàn)橐Χs的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)II型的超新星，因?yàn)楹司圩兎磻?yīng)使向外的壓力停止了。這時(shí)這個(gè)核心會(huì)像一個(gè)球一樣落在地上，然后反彈而回。這種反彈引起了II型超新星的爆炸，其一年釋放的能量，大約是我們的太陽(yáng)在它10億年的壽命里所釋放的全部能量。

超新星還會(huì)創(chuàng)造出大量的中子，這些中子猛烈撞擊原子核并通過(guò)衰變成質(zhì)子的方式將其轉(zhuǎn)化成新的更重的元素。大質(zhì)量恒星以這種方式制造出元素周期表上的所有的元素，包括那些比鉍還重的元素。

蟹狀星云是一顆在1054年爆發(fā)的超新星遺跡。（圖片來(lái)源：NASA,HST）

超新星還同時(shí)循環(huán)利用它們制造的重原子。如果恒星制造的重元素被遺留并困在恒星核心中，它們對(duì)宇宙沒有多大好處。超新星將比氫和氦重的原子發(fā)射回星際空間。這些原子循環(huán)進(jìn)入星云，形成新一代恒星。行星，比如地球，圍繞著第二和第三代恒星軌道運(yùn)行，因此它們擁有宇宙大爆炸沒有產(chǎn)生出的生命所需要的重元素。

恒星：宇宙的坩堝

恒星是宇宙的坩堝，它們用火鍛造出氫和氦以外的所有的元素，包括那些我們身體里的元素。比起低質(zhì)量恒星“溫柔的走入那個(gè)良夜”，大質(zhì)量恒星死去時(shí)非常壯烈?！芭叵?，即使光芒即將消逝”，它們?cè)谟钪骈g為生命播種。我們都是恒星運(yùn)行的旅程。

大麥哲倫星云內(nèi)位于成群的氣體和塵埃中的超新星遺跡N 63A

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學(xué)名詞

3. decodedscience/ Paul A. Heckert

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請(qǐng)于三十日以內(nèi)聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請(qǐng)取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處

翻譯：天文志愿文章組-耳邊的窩

審核：天文志愿文章組-羚風(fēng)

排版：零度星系

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學(xué)名詞

3.原文來(lái)自：https://www. decodedscience.org/journey-work-stars-origin-chemical-elements/53853

本文由天文志愿文章組-耳邊的窩翻譯自Paul A. Heckert , Ph.D. Leave a Comment的作品，如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請(qǐng)于三十日以內(nèi)聯(lián)系運(yùn)營(yíng)者刪除。