元素是如何形成的？

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2008年9月29日，致力于解开银河系历史之谜的科学家们聚集在了加州大学圣芭芭拉分校，参加一次叫做“回到银河II”的大会[1]。与会者都有着不同的研究方向，有的在寻找暗物质，有的在研究气体动力学，有的则对遥远的星系进行观测。这些科学家会为钡（Ba）原子与铕（Eu）原子的比例问题而兴奋，并且毫不掩饰对于通过比较硅（Si）与铁（Fe）的含量能够学到的东西的热爱。

“我们都是星尘”

“地球的表面就是宇宙汪洋之滨。我们的本能告诉我们，我们是在这个大海里诞生的。我们还乡心切。我们也会。因为宇宙也在我们之中。我们都是星尘。”

——卡尔·萨根

在对恒星化学成分的新研究的冲击下，一些科学家正在学习天体物理学过程中元素的形成。一个反复出现的问题是，“这个元素是从哪里来的？通过研究它，我们从中能够学到什么？”

为了致敬卡尔·萨根，参加那次会议的Jennifer Johnson和Inese Ivans开始着手研究，是什么类型的恒星产生了这些元素。

带着一张打印的元素周期表，他们在附近的商店里买了一堆马克笔，便准备开始确定宇宙中每个元素的物理起源的工作，他们根据每一个元素是如何被创造的来对它们标以不同的颜色。

由于马克笔中的颜料所剩有限，这让他们无需费心要把一切都做到绝对的正确，这阻止了他们陷入细节的泥沼，并且最终制作出了一张手写标注版的元素周期表，还在大会剩余的时间里向感兴趣的天文学家炫耀了一番。

○ 手绘版的元素起源周期表。| 图片来源：Johnson & Ivans

探寻宇宙中元素起源的历史

Jennifer和Inese制作的图表是我们对过去一个世纪的工作的一种提炼。

1920年，爱丁顿（Arthur Eddington）爵士第一次提出，氢（H）聚变成氦（He）的过程是太阳的能量来源。二十年后，诺贝尔奖获得者贝特（Hans Bethe）使用新的核物理学数据计算出，事实上正是核聚变让太阳发光发热。然而，恒星的能量来源和宇宙中气体、恒星、行星的化学之间的联系一直困扰着科学家，这不是因为他们不了解恒星，而是因为他们不理解原子核。

○ 太阳的日冕层上形成一个“？”形状的黑色孔。太阳质量中约73%为氢，25%为氦，其余是氧、碳、氖、铁等较重的元素。| 图片来源：NASA/GSFC/Solar Dynamics Observatory

到了上个世纪五十年代，Margaret和Geoff Burbidge、Fred Hoyle、以及Willy Fowler等人坚持不懈的工作给出了结论：比氦更重的元素是恒星内核聚变形成的，然后在恒星死亡的过程中散播到宇宙中。他们的成就之一是表明了从氦直接聚变为碳（C）而跳过中间讨厌的锂（Li）、铍（Be）、硼（B）三种元素是可能的，这项成就被写入了Fowler的诺贝尔奖引文中。（关于锂、铍、硼的故事可进一步阅读：《三个不一般的元素》）

虽然在1960年，我们就已经有了大致的图景。但如果仅根据那个年代的知识用颜色标记图表的话，那么几乎一切的细节都会是错误的。像是发现白矮星爆炸产生铁（Fe），第一批达到太阳质量的恒星会产生铅（Pb），这些关键的突破已被逐渐地堆积起来。对恒星成分的观测、濒死恒星爆炸抛射出的气体、放射性元素衰变产生的亮光，这些观测结果与预测恒星内核聚变的、复杂的计算机模型结合，最终产生了Jennifer和Inese在2008年转化成斑驳的蓝绿色、橙色和黄色的数据表格。

天文学家总是喜欢开玩笑说，在他们的眼中只认识元素周期表中的三种元素：氢、氦和“金属”。是的，与化学家不同，天文学家不仅将金（Au）、锡（Sn）、银（Ag）、铜（Cu），也将氧（O）、氖（Ne）、氯（Cl）等作为金属元素。作为划分“那些主要在大爆炸中形成的”和“其他一切”元素的一种方式，这样的命名体系确实很有效。

○ 天文学家眼中的元素周期表。正方形的面积表示不同元素的相对丰度，正方形越大代表该元素在宇宙中的丰度越多。在元素周期表中大多数的元素的正方形小到都无法显示出来。| 图片来源：One Universt At a Time

当然，宇宙并不那么简单。由于不同质量和成分的恒星形成并死亡，它们以不断变化着的大量元素丰富了银河系的气体。恒星大气层是其从中诞生的气体的保存样本，是刻在恒星表面上的化石记录；并且是其恒星祖先的核合成之总和。如果我们能够破译这样的化学指纹，就能够知道之前的恒星的状况。通过数黑洞的数量来衡量曾经存在过的大质量恒星的数目并不容易，但是观察黑洞形成时遗留的、累积下来的喷射物就容易多了。

○ 元素周期表上不同颜色的标记表示元素在宇宙中的不同起源：大爆炸热核聚变（蓝）、双中子星合并（橙）、濒死的低质量恒星（黄）、宇宙射线裂变、爆炸的大质量恒星（绿）、爆炸的白矮星（淡蓝）、浅灰色：周期极短的放射性同位素，没有恒星残留。| 图片来源：NASA/ESA/G. Dubner et al./A. Loll et al./t.Temim et al./ F. Seward et al./VLA/NRAO/AUI/NSF/ Chandra/CXC/Spitzer/JPL-Caltech/ SMM-Newton/ESA/Hubble/STScl

由于对银河系中恒星和气体的化学成分的最新的以及持续的研究，这张标记了元素起源的周期表也在持续地演化。目前的版本 （下图）于2017年在美国天文学会冬季会议的新闻发布会上首次亮相，当时Jennifer是斯隆数字化巡天（SDSS）项目的队伍中的一员，这个项目自2008年以来一直在绘制我们的宇宙。SDSS测量了10万多颗恒星的化学成分，包括六种构成生命的关键元素：碳、氢、氮、氧、磷和硫，它们被称为CHNOPS。人体质量的>97%都是由这些元素构成的。

○ 研究发现，生命所必须的六种元素遍布在银河系，越靠近银河系中心元素的丰度越高。图中不同颜色代表不同的元素，以及跟人体的关联，比如肺中的氧到骨骼中的磷。光谱的凹陷的大小代表了元素在恒星大气的总量。| 图片来源：Dana Berry/SkyWorks Digital Inc.; SDSS collaboration

未完结的故事

关于元素起源的故事远没有完结，Jennifer的工作也在继续。2017年秋天，当人类探测到双中子星碰撞产生的引力波的时，Jennifer对元素周期进行了第一次的修正。对于引力波和电磁波的后续研究证实了一种理论，那就是，这些不同寻常的天体爆炸会喷射出大量的金（Au）元素以及快中子捕获过程（r-过程）中创造出的元素。

○ 大麦哲伦星云中的超新星遗迹。超新星是宇宙中比氮（N）更重的元素的主要来源。34S之前的元素是通过核聚变产生的，36Ar到56Ni之间的元素是硅（Si）燃烧过程中产生的，比铁（Fe）重的元素是通过快中子捕获过程产生的。超新星是R-过程最有可能的（虽然并非毫无争议）候选地点。R-过程是创造富含中子、且比铁重的元素的一系列核聚变反应，通常发生在核心塌缩的超新星、或合并的双中子星中。R-过程产生约一半以上比铁重的元素，包括钚（Pu）和铀（U）等。| 图片来源：X-射线：NASA/CXC/Rutgers/J.Hughes；可见光：NASA/STScI

直到一年前，还没有人知道珠宝中的金从哪里来，现在我们知道它来源于双中子星的合并。

○ 形成金的两种途径。| 图片来源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

现在，不确定性的乌云最密集地悬挂在中间元素上方，比如锡（Sn）、钼（Mo）和砷（As）。那些不是为恒星提供能量来源的关键元素，或者那些不是在极端的爆炸中产生的元素，可能是在许多不同地方少量产生的。所以，要找到它们正在形成的起源地非常困难。

Jennifer和Inese凭着最好的猜测为这些元素涂色，但是，只有利用光谱仪收集的庞大的数据集，并结合盖亚卫星收集的成千上万颗恒星的数据，我们才能够破解这些元素周期表中既不简单、也非极端的元素究竟是如何产生的。

参考链接：

[1] http://online.itp.ucsb.edu/online/milkyway_c08/

[2] https://www.americanscientist.org/article/a-chemical-history-of-the-universe

[3] https://briankoberlein.com/2014/04/23/hydrogen-helium-metal/

[4] https://www.quantamagazine.org/20170323-where-did-gold-come-from-neutron-stars-or-supernovas/

[5] https://www.sdss.org/press-releases/the-elements-of-life-mapped-across-the-milky-way-by-sdssapogee/

本文经授权转载自《原理》微信公众号

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本文选自：今日头条

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