地球元素从哪来？你的金饰来自星星

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那么，地球上的各种元素是什么时候形成的？这些元素是同时形成的还是顺序形成的？它们的形成机制相似吗？为什么贵金属如金和铂在地壳中如此稀有？这篇文章将向读者展示自大爆炸以来不同元素逐渐诞生的历史，达到人类对宇宙和自身认知的边界。

三个创造——大爆炸的前三分钟为元素形成奠定了基础

根据大爆炸理论，我们生活的宇宙是在138亿年前“大爆炸”后形成的。在此之前，我们认为宇宙处于原始状态，密度和温度极高。尽管这听起来很奇怪，但这个模型已经得到了大量观察的支持，并且已经成为描述宇宙起源和演化的主流理论。

大爆炸示意图，来源:美国宇航局/WMAP科学小组

根据大爆炸理论，在宇宙形成之初，宇宙中的元素种类非常有限。构成岩石、水、空气、人类甚至地球上其他天体的元素不是138亿年前与宇宙一起诞生的，而是经过数亿年的进化，从轻到重(原子序数从小到大)逐渐形成的。这种元素的生成(创造)过程可以说是精巧的，充满了偶然性和故事性。

大爆炸后约十分之一秒，宇宙温度达到1亿摄氏度。这时质子(氢原子核1H)和中子开始产生，宇宙开始了创造各种元素的旅程。之后，质子和中子相互碰撞形成重氢。重氢继续捕获中子形成超重氢(3H)，而超重氢又会经历β衰变形成氦-3(3He)，氦-3(3He)在吸收中子后又会转化为氦-4(4He)。

大爆炸早期氦-4形成过程示意图，来源:作者自制。

在上述各种原子核中，氢核和氦核是最稳定的，因此它们会在反应过程中积累。其次，由于没有质量数为5(质子数+中子数)的稳定原子核，早期宇宙中的元素合成过程趋于停滞。虽然也产生了极少量的锂-7(7Li)和铍-7(7Be)，但它们都是不稳定的，最终不能大量留在宇宙中。

启动恒星熔炉——重元素的诞生

前面提到的氢合成过程有点单调，持续了大约1亿年，在此期间，氢团在重力的作用下聚集在一起，形成了早期恒星的雏形。当积累的氢元素达到足够的水平时，恒星核心将在重力的作用下发生氢聚变反应，从氢中产生氦，并在此过程中产生巨大的能量，向星际空间释放出炽热的光。

分子云——大多数恒星诞生的地方，来源:欧空局/哈勃

从现在开始，曾经停滞不前的元素创建过程重新开始了。随着氢聚变的进展，产生了大量的氦-4(4He)。在恒星内部如此高温、高压和高密度的环境中，两个氦-4(4He)以极低的概率与铍-8(8Be)融合的概率也大大提高了。虽然铍-8(8Be)是不稳定的，但如果它能在衰变前与周围丰富的氦-4(4He)再次融合，就能形成稳定存在的碳-12(12C)。

碳-12(12C)的形成是元素创造史上的里程碑事件。氧-16(16O)与氦-4(4He)反应生成，也是一个稳定的核。然而，当两个氧-16(16O)结合时，可以产生硅-28(28Si)和氦-4(4He)，并且前者仍然是稳定的核。

各种稳定原子核的不断形成打破了元素合成中氢融合的束缚，各种较重的元素在恒星的熔炉中不断合成。然而，这种元素合成过程在铁-56(56Fe)之后有一些小插曲——在恒星中心的大部分质量变成铁之后，在中心产生的压力将非常大，这将导致电子被压入原子核，原子核中的质子将被转换成中子，最后整个恒星核心将被转换成中子。

中子星的强大引力可以弯曲光线(示意图)。资料来源:CC4.0

由于中子核心非常致密，它实际上形成了铁不能继续进入的屏障，因此进一步的聚变反应将*停止。此时，恒星的生命即将结束。简而言之，恒星内部的聚变反应不能形成大量比铁重的元素，元素的创造过程也遇到了暂时的困难。

罗伯特·舒尔茨的中子星结构示意图

我们都是恒星的孩子——太阳系的诞生

在前一节的讨论中，我们隐藏了一个前提，即铁元素是由恒星中的聚变产生的——事实上，质量较大的恒星可以完成这一反应。因为我们的太阳不够重，不足以为中心提供足够的压力，所以它只能完成氧气的合成。然而，通过对太阳光谱的研究，我们发现太阳中有一些重元素，有些甚至比铁还重。

不同类型恒星结构及其最终演化方向示意图，来源:作者自制

对这一事实最可能的解释是，这些元素存在于太阳诞生之初，而不是由太阳自身的聚变反应合成的。然后问题出现了:太阳是如何诞生的？它积累的大量光元素是从哪里来的？它所包含的较重元素是如何形成的？

为了回答这些问题，我们需要继续讨论恒星通过聚变反应形成铁芯的后续情况。如上所述，在一颗大质量恒星产生一个铁芯后，该铁芯将进一步形成一个密度极高的中子芯。这个过程通常伴随着温度和密度的急剧上升，核心很可能遭受突然的重力崩溃，引发所谓的超新星爆炸。

超新星爆炸，来源:美国宇航局

在这种超新星爆炸的过程中，原始的大质量恒星会抛出几乎所有的外层物质，只留下一个有活跃小天体的中子星核心。与此同时，爆炸过程将伴随着少量重元素的产生，从元素28铁到元素94钚(甚至更重的元素)都可能在这一过程中产生。类似的天文事件可能发生在我们太阳所在的空间附近——大质量恒星在其职业生涯结束时会产生超新星爆炸，抛出大量主要由轻元素组成的物质，同时产生多种元素。

太阳继承了少量较重的元素，同时通过聚集大量分散在太空中的物质开始了自己的轻核聚变反应。与太阳同时诞生的地球，也拥有各种天然元素，包括94号元素钚。从下面的太阳系元素丰度示意图可以看出，太阳系元素含量由轻到重逐渐减少，其中相对稳定的核素，如铁和铅形成相对峰值，而锂、铍和硼的含量相对较低。

用MHz`as表示的太阳系元素丰度示意图

贵金属宝藏——几十亿年前中子星碰撞和合并的礼物

前面提到的超新星爆炸曾被认为是宇宙中继铁之后产生重元素的主要方式。一般来说，铁之后的重元素主要通过原子核吸收中子，并经过β衰变产生更重的元素。超新星爆炸确实可以在短时间内产生大量重元素，但超新星爆炸期间缺乏足够的中子供应可能不是产生重元素的主要途径。

结果，科学家们把注意力转向了能够大规模释放中子的天文事件。这是中子星的碰撞和合并。当两颗质量约为太阳20倍的邻近恒星在超新星中爆发并离开中子星核心时，两颗中子星将围绕其重心旋转。然而，由于两者相互作用期间引力波的释放，旋转周期将逐渐变短，两者之间的距离将逐渐接近。

双中子星合并假想图，来源:CC4.0

上述中子星双星系统将不可避免地撞击或合并。这一过程将释放巨大的能量和大量的中子，并有可能在很短的时间内产生大量的重元素，包括贵金属如金和铂。2017年8月17日观测到的重力波事件和随后的伽马射线爆发提供了第一个决定性的观测证据，证明中子星合并是产生重元素的主要方式。这一可以被载入史册的成就，帮助人类揭开了100多年的神秘面纱。

中子星合并过程中释放的重元素的假想图，来源:CC4.0

宇宙用了1亿年才产生碳基生命，克服这一困难的恒星熔炉已经在不断合成元素的道路上迈出了巨大的步伐。然而，核聚变产生的铁芯可能是恒星爆炸甚至死亡的导火索。在死星的灰烬中，会有新的年轻恒星从火中重生。埋在矿井里的黄金甚至可能来自几十亿年前的“大碰撞”...

宇宙万物都在不断发展，人类的理解也在不断进步。当今世界的每个普通人都是宇宙进化的见证人。在下一篇文章中，我们将介绍人类合成超重元素的历史和这项研究的意义。