元素的旅程始于大爆炸的最初時(shí)刻，當(dāng)時(shí)我們的宇宙只有幾秒鐘到幾分鐘的歷史。
大爆炸模型認(rèn)為一場(chǎng)劇烈的爆炸產(chǎn)生了現(xiàn)在的宇宙。(Image credit: Getty images圖片來源：蓋蒂圖片社)
我們都知道宇宙包含大量的元素，從很輕的氣體（如氦氣）到很重的金屬（如鉛）。但是所有的元素都是從哪里來的呢？
元素的旅程始于大爆炸的最初時(shí)刻，當(dāng)時(shí)我們的宇宙只有幾秒鐘到幾分鐘的歷史。當(dāng)時(shí)，整個(gè)宇宙被塞進(jìn)了一個(gè)比今天小數(shù)百萬(wàn)倍的體積中。由于密度高得令人難以置信，宇宙中所有物質(zhì)的平均溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過十億度，這足以發(fā)生核反應(yīng)。事實(shí)上，它是如此之熱，以至于即使是質(zhì)子和中子也無法作為穩(wěn)定的實(shí)體存在。相反，宇宙只是一片更基本的粒子的海洋，稱為夸克和膠子，在原始等離子體狀態(tài)下沸騰。
但宇宙不會(huì)長(zhǎng)期保持這種狀態(tài)。它正在膨脹，這意味著它也在冷卻。最終，夸克可以結(jié)合在一起形成第一個(gè)質(zhì)子和中子，而不會(huì)立即被摧毀。質(zhì)子比中子略輕，這使它們?cè)诹Ｗ赢a(chǎn)生的初始階段具有優(yōu)勢(shì)。宇宙誕生了幾分鐘后，它就由于溫度較低而無法產(chǎn)生新的質(zhì)子和中子。因此，這些重粒子是宇宙制造的唯一一批粒子（除了未來罕見的高能相互作用）
當(dāng)重粒子最終形成后，大約每個(gè)中子會(huì)伴隨有六個(gè)質(zhì)子。這些中子本身并不穩(wěn)定;它們的半衰期約為 880 秒。隨即，一些中子開始衰變，而尚未衰變的中子開始與質(zhì)子結(jié)合形成第一批原子核。在所有輕元素中，由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成的氦-4具有最大的結(jié)合能，這意味著它最容易形成，最難分解。因此，幾乎所有這些中子都用于生產(chǎn)氦-4。
通過這樣的計(jì)算，宇宙學(xué)家可以預(yù)測(cè)，宇宙開始時(shí)大約有75%的氫（這只是一個(gè)裸露的質(zhì)子）、25%的氦和少量鋰的混合物——這正是天文學(xué)家觀察到的。
恒星核聚變合成
元素出現(xiàn)的下一階段必須等待第一代恒星，直到大爆炸后數(shù)億年才開始發(fā)光。恒星通過核聚變?yōu)樽约禾峁﹦?dòng)力，將氫轉(zhuǎn)化為氦。這個(gè)過程會(huì)留下一點(diǎn)點(diǎn)能量。但是恒星有如此多的氫氣，它們可以燃燒數(shù)十億年，有時(shí)甚至是數(shù)萬(wàn)億年。
在生命的盡頭，像太陽(yáng)這樣的恒星轉(zhuǎn)而核聚變氦，在它們作為行星狀星云死亡之前將其轉(zhuǎn)化為碳和氧。這就是為什么碳和氧在宇宙中如此豐富的原因;繼氫和氦之后，它們是最常見的元素。事實(shí)上，氧是地球上最常見的元素，盡管它大部分與硅酸鹽結(jié)合形成你腳下的土地。
質(zhì)量更大的恒星——那些質(zhì)量至少是太陽(yáng)八倍的恒星——在其核心中融合了更重的元素。特別是在它們生命周期的最后幾周、幾天甚至幾個(gè)小時(shí)里，宇宙中質(zhì)量最大的恒星會(huì)產(chǎn)生氮、氖、硅、硫、鎂、鎳、鉻和鐵。
這是恒星內(nèi)元素形成的終點(diǎn)——它們強(qiáng)大的能量能夠產(chǎn)生較重的元素，但要形成任何一種高于鐵的元素會(huì)消耗能量，而不是產(chǎn)生能量，因此這些更重的元素很少出現(xiàn)在大質(zhì)量恒星的核心中。
元素周期表中比鐵重的元素是在恒星死亡時(shí)產(chǎn)生的，它們通過各種迷人、復(fù)雜和壯觀的方式產(chǎn)生。較小的恒星慢慢地將它們核反應(yīng)區(qū)中的物質(zhì)向外噴射，這些物質(zhì)將噴灑到它們的恒星系統(tǒng)中。較大的恒星將會(huì)產(chǎn)生超新星爆炸。這兩種死亡都會(huì)留下殘余——小恒星會(huì)留下白矮星，白矮星幾乎完全由碳和氧組成；較大的恒星會(huì)留下令人難以置信的致密中子球，稱為中子星。
來自伴星的氣體可以被白矮星吸收，導(dǎo)致它引發(fā)超新星爆炸。中子星的碰撞，會(huì)產(chǎn)生千新星并釋放出巨大的能量。
無論如何，所有這些過程都涉及大量的輻射、大量的能量和大量高速飛行的粒子——換句話說，這是塑造新元素的完美湯。正是通過這些災(zāi)難，元素周期表的其余部分才應(yīng)運(yùn)而生。
也正是通過這些高能事件，這些元素飛躍了它們的母星的界限，進(jìn)入了星際混合體。在那里，這些元素加入了新的氣體云，這些氣體云最終合并形成新一代的恒星，這些恒星繼續(xù)元素循環(huán)和再生，慢慢地豐富了整個(gè)宇宙。
BY:Paul Sutter
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