出品：科普中國
製作：大阪大學 張昊
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
46億年前，地球誕生於我們所置身的浩瀚宇宙。構成目前地球上種種物質的元素，自那時起就已經存在於地球上了。在此之後，雖然也有小行星或者隕石、隕鐵等帶來大氣層外的物質，但構成山川海洋和生靈萬物的元素們基本保持著當初的含量。正因為有接近一百種天然元素的存在，地球才能具有如此多樣的地形地貌和生態系統，形成能量和物質循環，並最終在此基礎上孕育人類文明。
那麼，地球上種類繁多的元素是何時形成的？這些元素是同時形成還是存在先後次序？他們的生成機理是類似的嗎？為什麼金、鉑一類貴金屬在地殼中的含量如此稀少？這篇文章將為讀者呈現自宇宙大爆炸以來，不同元素漸次誕生的歷史，直達人類對於宇宙和自身的認知邊界。
三生萬物——宇宙大爆炸的最初三分鐘奠定元素形成基礎
大爆炸理論認為，我們身處的宇宙是在距今138億年前的一次“大爆炸”後形成的，在那之前我們認為宇宙處於一種密度極大，溫度極高的太初狀態。雖然聽起來有些匪夷所思，但這一模型得到了無數觀測結果的佐證，也因而成為了目前描述宇宙起源和演化的主流學說。
大爆炸示意圖，來源：NASA/WMAP Science Team
根據大爆炸理論，宇宙形成之初，宇宙中存有的元素種類極為有限。構成地球上岩石、水、空氣以及人類自身乃至其它天體的種種元素，並非是在138億年前與宇宙一起誕生，而是經由了上億年的演化才開始由輕到重（原子序數從小到大）漸次生成。這一元素的生成（創造）過程堪稱精妙絕倫，充滿偶然性和故事性。
在大爆炸發生後的約萬分之一秒，宇宙的溫度高達一億攝氏度，此時質子（氫原子核1H）和中子開始生成，宇宙從此開始了它製造各種元素的創世之旅。之後，質子和中子相互撞擊，形成重氫（D）。重氫再繼續捕獲中子形成超重氫（3H），超重氫又可經由β衰變生成氦-3（3He），而氦-3吸收中子後又可以轉化為氦-4（4He）。
大爆炸早期，氦-4的生成過程示意圖，來源：作者自制
在以上各種原子核中，氫原子核和氦原子核最穩定，因此會在反應過程中得以集聚。接下來，由於質量數（質子數+中子數）為5的穩定原子核不存在，宇宙早期的元素合成過程到此趨於停滯。雖然也有極少數的鋰-7（7Li）和鈹-7（7Be）得以生成，但上述二者皆不穩定，最終未能在宇宙中大量留存。
啟動恆星大熔爐——重元素誕生
上一節中提到的略顯單調乏味的輕元素合成過程持續了約一億年之久，在此期間，輕元素團塊們在引力作用下相互集聚，並形成了早期恆星的雛形。當集聚而來的輕元素們數量累積到足夠程度，恆星核心就將在重力作用下發生輕核聚變反應，由氫生成氦，並在此過程中產生巨大的能量，向星際空間釋放灼熱的光芒。
分子云——大部分恆星誕生的場所，來源：ESA/Hubble
從這個時候開始，一度停滯的元素創世過程又有了重啟的轉機。隨著輕核聚變的進行，大量氦-4（4He）隨之生成。在恆星內部這樣的高溫高壓高密度環境下，原本發生機率非常低的兩個氦-4（4He）聚變為鈹-8（8Be）的過程，機率也得以大大提高。雖然鈹-8（8Be）並不穩定，但在其衰變之前，若能與周遭大量存在的氦-4（4He）再發生一次聚變，就能形成可以穩定存在的碳-12（12C）。
碳-12（12C）的生成堪稱元素創世史中的里程碑事件，其與氦-4（4He）反應生成的氧-16（16O）同樣是穩定核。而兩個氧-16（16O）結合後又可以生成一個硅-28（28Si）和一個氦-4（4He），前者仍然是穩定核。
各種穩定核的不斷生成令元素合成衝破了輕核聚變的桎梏，各種較重的元素在恆星這個大熔爐中被不斷地合成。然而，這一元素合成過程在進行到鐵-56（56Fe）後出現了一些小插曲——在恆星中心的大多數質量都變成鐵後，中心部分所產生的壓力將非常巨大，這將導致電子被壓入原子核，與原子核中的質子轉變為中子，最後整個恆星核心都將變成中子。
中子星強大的引力可以彎曲光線（示意圖），來源：CC4.0
由於該中子核心極端緻密，事實上形成了一個鐵元素無法繼續進入的壁壘，因此進一步的聚變反應也將被迫中止。此時，恆星的壽命也就即將走向盡頭了。簡言之，恆星內部的聚變反應無法形成大量比鐵更重的元素，元素的創世過程又遇到了暫時的困難。
中子星結構示意圖，作者：Robert Schulze
我們都是星星的孩子——太陽系的誕生
在上一節的討論中，我們隱去了一個鐵元素在恆星內部通過聚變產生的前提——事實上，具有較大質量的恆星才可能完成這一反應。我們的太陽由於不夠重，不能向中心提供足夠的壓力而只能完成氧元素的合成。然而，通過對太陽光譜的研究，我們發現太陽上存在一定含量的重元素，有些甚至比鐵還要重。
不同類型恆星的結構示意圖及最終演化方向，來源：作者自制
對這一事實最可能的解釋是，這些元素在太陽誕生之初就已經存在了，他們並非由太陽自身的聚變反應所合成。那麼問題來了，太陽是如何誕生的？它所集聚的大量輕元素最初從何而來？它包含的較重元素又是如何產生的？
想要回答這些問題，我們需要接著討論恆星通過聚變反應形成鐵元素內核的後續情形。如上所述，大質量恆星在生成鐵元素核心後，該核心將進一步形成密度極大的中子內核。伴隨這一過程的，往往是溫度、密度的劇烈升高，核心很可能遭受突然的引力坍縮，引發所謂的超新星爆發。
超新星爆發，來源：NASA
在此類超新星爆發過程中，原有大質量恆星將拋出幾乎全部的外層物質，只留下一顆體積極小的中子星核心。同時，爆發過程還將伴隨少量重元素的生成，從28號元素鐵到94號元素鈈（甚至更重的元素）都可能在此過程中生成。我們的太陽所處的空間附近，可能就發生過類似的天文事件——大質量恆星在生涯末期產生超新星爆發，拋出大量以輕元素為主的物質並同時產生多種元素。
太陽通過集聚這些散落於空間中的大量物質，在開啟自身輕核聚變反應的同時，也繼承了少量的較重元素。與太陽同時期誕生的地球，也因此而擁有了直到94號元素鈈的各種天然元素。從下方的太陽系元素丰度示意圖中可以看出，太陽系內元素含量從輕到重逐漸減少，其中較為穩定的核種，如鐵（Fe）和鉛（Pb）會形成相對的峰，而鋰（Li）、鈹（Be）和硼（B）的含量相對較低。
太陽系元素丰度示意圖，作者：MHz`as
貴金屬寶藏——數十億年前中子星撞擊合併的饋贈
上一節中提到的超新星爆發，曾經一度被認為是宇宙中鐵之後重元素產生的主要途徑。一般來說，鐵之後的重元素主要通過原子核吸收中子併發生β衰變來產生更重的元素。超新星爆發的確可以在較短時期內製造出大量重元素，但超新星爆發過程中缺乏足量的中子供給，很可能並非是重元素生成的主要途徑。
於是，科學家們將目光轉向了可以大規模釋放中子的天文事件，這就是中子星的撞擊和合並。當質量大約為太陽8到20倍的兩顆相近恆星相繼發生超新星爆發並遺留下中子星核心後，這兩顆中子星將以兩者的重心為迴轉軸進行公轉。然而，由於兩者相互作用過程中引力波的釋放，公轉週期將會逐漸變短，二者間距離逐漸接近。
雙中子星合併假想圖，來源：CC4.0
上述的中子星雙星系統將不可避免的走向撞擊或者合併，這一過程將釋放出巨大的能量和大量的中子，有潛力在極短時間內製造大量包括金、鉑等貴金屬元素在內的重元素。2017年8月17日觀測到的一次重力波事件及隨後到來的伽馬射線暴，讓人類第一次獲得了中子星合併是製造重元素主要途徑的決定性觀測證據。這一足以載入歷史的成就，幫助人類揭開了一百多年以來的謎團。
中子星合併過程中釋放重元素的假想圖，來源：CC4.0
宇宙製造碳基生命誕生所依賴的碳元素居然耗費了一億年之久，跨越這道難關後的恆星熔爐本來已經在持續合成元素的路途上大步向前，然而通過聚變製造出的鐵元素核心卻可能是恆星爆發乃至死亡的導火索。死去恆星的灰燼中，又會有新的年輕恆星浴火重生。埋藏在礦山中的黃金甚至可能來自於數十億年前的一場“天地大沖撞”……
宇宙萬物不停發展，人類的認識不斷向前，每一個當世的普通人都是宇宙演化的見證者。在下一篇文章中，我們將會為大家介紹人類合成超重元素的歷史和進行這項研究的重大意義。
