恆星運行的旅程：化學元素的起源
恆星製造了地球上生命所必需的元素。圖片來源：NASA
我相信，草的一株葉子不會比一個恆星的運作的旅程要遜色。
有時，詩人比科學家感知得更快。當Walt Whitman在十九世紀寫下這句話時，他在以詩意的方式表達科學問題。
如果僅從文章的字面來看，無論如何，Whitman意識到恆星與我們身邊的原子之間存在聯繫，要比天文學家們早的多。
恆星是如何產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：在最初的時候
在宇宙大爆炸期間，物質最初以單個質子的形式呈現，因此氫是唯一出現的元素。除了氫以外的元素則由包含了多個質子的原子核組成。
通過核聚變化合形成重元素的質子。隨著宇宙的膨脹和冷卻，它將迅速達到和一顆恆心核心同樣的溫度和密度。在這些條件下，氫聚變反應將氫轉化為氦，在早期的宇宙中和星球的核心裡釋放能量。
核聚變反應將氦轉化成重元素，比如碳，這個過程需要比氫聚變反應更高的溫度和密度。等到宇宙包含了足夠的氦使氦原子轉化成碳原子時，宇宙的溫度和密度已經低到使得氦聚變反應不能發生。
自此大爆炸不能形成比氦更重的重大質量的元素。不久之後，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。
其他元素是怎樣產生的呢？恆星是問題的關鍵。
恆星核合成
就在一顆大質量恆星爆發成為一顆超新星之前，核聚變反應會形成一個鐵核心。圖片來源於NASA。
恆星通過核聚變反應產生能量。最初的恆星在它們的核心中用與宇宙大爆炸不久後製造氦的反應相類似的反應，將氫轉化成氦。所有燃料的來源一定，無論如何最終都會用盡。
恆星將它們的氫燃料消耗盡並留下一個氦核心，但是這時的恆星還沒有消亡。氦核心會由於引力而塌縮，並增加其溫度、密度和壓力，直到氦燃燒發生聚變反應。兩個氦原子融合形成一個鈹原子。第三個氦原子快速加入並形成一個碳原子。有時第四個氦原子與碳結合形成一個氧原子。這些聚變反應在恆星核心深處發生，早在太陽系形成之前，就已經制造出了我們身體中的碳原子和氧原子。
藝術家觀念下在高密度分子云誕生的恆星。
擁有和太陽差不多的質量的恆星沒有足夠的引力使得碳核心/氧核心塌縮而點燃碳聚變反應。在這些低質量的行星中，恆星核合成隨著碳核心/氧核心停止，這些正在消亡的恆星塌縮成白矮星。隨著剩餘的熱量消散超過十幾億年的時間，低質量恆星“溫和的走進了那個良夜”。
大質量恆星
然而，大質量恆星卻“咆哮吧，即使光芒即將消逝”。（Dylan Thomas）
大質量恆星狂暴的消亡，它們融合並循環（並利用）著較重（的）元素。有碳參與的聚變反應制造更重的元素包括氧 ，氖，鈉和鎂。這些原子轉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。
大質量恆星發展至核心坍縮前的洋蔥狀結構（未依照比例）。
然而，當大質量恆星有了鐵核心，聚變反應停止了。鐵不會融合成更重的元素，因為製造比鐵更重的元素的聚變反應不會釋放能量。它們需要能量。因此鐵成為了裂變和聚變的分界。那麼恆星是如何產生比鐵更重的元素的呢？
反射星雲NGC 1999是被獵戶座V380（位於中心）照亮的，這顆變星的質量大約是3.5太陽質量。源自NASA影像
恆星通過漫長的s（slow）過程，製造出在元素週期表中比鐵略微重一點的元素。在s過程中，一箇中子碰撞變成一個鐵原子核或者其他重原子核。這個中子會衰變成為一個質子和一個電子，這個過程被物理學家叫做β衰變。電子逃離核心。質子繼續留在核心中將原子轉變成在元素週期表中下一個更重的元素。製造元素的這個過程緩慢地重複著，直到到元素週期表中的鉍。
超新星所扮演的角色
在超新星爆炸期間，恆星通過迅速的r（rapid）過程，製造所有比鉍重的元素。當大質量恆星的鐵核心因為引力而塌縮的時候，會出現II型的超新星，因為核聚變反應使向外的壓力停止了。這時這個核心會像一個球一樣落在地上，然後反彈而回。這種反彈引起了II型超新星的爆炸，其一年釋放的能量，大約是我們的太陽在它10億年的壽命裡所釋放的全部能量。
超新星還會創造出大量的中子，這些中子猛烈撞擊原子核並通過衰變成質子的方式將其轉化成新的更重的元素。大質量恆星以這種方式製造出元素週期表上的所有的元素，包括那些比鉍還重的元素。
蟹狀星雲是一顆在1054年爆發的超新星遺蹟。（圖片來源：NASA,HST）
超新星還同時循環利用它們製造的重原子。如果恆星製造的重元素被遺留並困在恆星核心中，它們對宇宙沒有多大好處。超新星將比氫和氦重的原子發射回星際空間。這些原子循環進入星雲，形成新一代恆星。行星，比如地球，圍繞著第二和第三代恆星軌道運行，因此它們擁有宇宙大爆炸沒有產生出的生命所需要的重元素。
恆星：宇宙的坩堝
恆星是宇宙的坩堝，它們用火鍛造出氫和氦以外的所有的元素，包括那些我們身體裡的元素。比起低質量恆星“溫柔的走入那個良夜”，大質量恆星死去時非常壯烈。“咆哮吧，即使光芒即將消逝”，它們在宇宙間為生命播種。我們都是恆星運行的旅程。
大麥哲倫星雲內位於成群的氣體和塵埃中的超新星遺蹟N 63A
參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學名詞
3. decodedscience/ Paul A. Heckert
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