宇宙创造元素的八种方式

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：不二北斗，题图来自：《普罗米修斯》

科学家认为，宇宙中的物质是由普通物质和暗物质组成的。尽管大量的天文观测都指向暗物质是真实存在的，但我们对暗物质的本质却一无所知。而今天我们所熟知的一切，包括恒星、行星、地球上的所有东西，都属于普通物质。

普通物质由原子构成。每个原子的原子核都包含了中子和质子，而质子的数量决定了元素的性质。目前，已知的元素周期表中含有100多种元素。这些元素是同时出现的吗？它们是从哪里以及如何被创造出来的？

我们熟悉的物质都是由原子构成的

经过漫长的探索，我们现在得知，元素周期表中的元素是在不同时间里由八种不同的方式创造出来的。

大爆炸 

创造新元素的过程被称为核合成，始于大约138亿年前的大爆炸。在大爆炸的几微秒后，质子和中子首先被创造出来。不久后，元素周期表中最轻的元素——氢和氦开始出现，同时形成的还有少量的锂。今天，氢和氦仍然是宇宙中最丰富的元素，它们是恒星的主要成分。

最初创造元素的过程也被称为大爆炸核合成

大质量恒星 

正如生命一样，夜空中闪烁的恒星也有始有终。恒星的寿命取决于其质量的大小，质量越大的恒星寿命越短。那些大质量恒星会很快的就耗尽自身的燃料，迅速走向生命的终点，并在一场绚丽的超新星爆发中，结束生命。而在这个激烈的过程中，它们会创造出大量的元素——从碳（第6号元素）到锆（第40号元素），散播到宇宙各处。

核坍缩超新星中的核合成，仙后座A超新星遗迹中发出的X射线是由硅（红色）、硫（黄色）、钙（绿色）、铁（紫色）发出的，边界处的蓝色为爆震波。| 图片来源：NASA/CXC/SAO

小质量恒星 

相比于明亮夺目的大质量恒星，宇宙中还遍布着像太阳一样生命悠长的小质量恒星。在这些恒星的内部，核合成一般在碳和氧（有时可以达到镁和氖）产生后就停止了。虽然这些恒星中的聚变很难走向更重的元素，但它们却在默默地付出，创造出了很大一部分较重的元素——从锶（第38号元素）到铋（第83号元素）。

小质量恒星遍布宇宙。| 图片来源：NASA, ESA, and G.Bacon (STScI)

白矮星爆发 

垂死的小质量恒星会抛射掉它们丰富的外层，留下一颗致密天体——白矮星。如果白矮星是在双星系统中形成，白矮星强大的引力会掠夺其伴星的物质。而当白矮星的质量超过一个极限时，就会爆发形成所谓的Ia型超新星，并将它的全部质量抛射到周围的环境中。这个过程会产生从硅（第14号元素）到锌（第30号元素）的元素。

白矮星吸积伴星的物质，在达到临界质量后爆炸称为Ia型超新星。| 图片来源：NASA/CXC/M Weiss

中子星合并 

质量较大的恒星在耗尽燃料时，会坍缩形成更加致密的天体——中子星。中子星的半径只有约10千米，但是它的质量却与太阳相当。当两颗中子星慢慢靠近并最终并合时，不仅会释放出所谓的引力波，还会释放出电磁波。

引力波和电磁波带来的信息，使天文学家能够探索中子星的内部组成，并揭示宇宙中最极端条件下的物质性质。事实上，从铌（41号元素）到钚（94号元素），宇宙中最重的自然元素都是在这个过程中创造出来的。

一项新研究表明，在过去的25亿年里，双中子星并合产生的重元素要比中子星和黑洞间的并合要更多。| 图片来源：National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet‍

宇宙射线 

当来自高能天体物理源产生的宇宙射线朝地球冲击而来时，宇宙射线的能量足以分裂较重的原子核，通过裂变产生锂（3号元素）、铍（4号元素）和硼（5号元素）。

当高能宇宙射线撞击原子核时，原子核会分裂。| 图片来源：Nicolle Rager Fuller/NSF/IceCube

放射性衰变 

具有相同质子数但不同中子数的原子被称为同位素。一些同位素不稳定，它们通常会通过释放一个α粒子（即氦核）或经历所谓的β衰变（即一个中子转变成质子、电子和反电子中微子）产生新的粒子。通过衰变产生的元素包括锝（43号元素）、钷（61号元素）和许多比铅（82号元素）更重的元素。

1951年，天文学家在一颗濒临死亡的小质量恒星的大气层中发现了放射性元素锝（Tc）

人造元素 

人类并不满足于自然条件下创造的元素，在科学家的努力下，元素周期表仍然在扩展。科学家已经在实验室、核反应堆或核爆炸中合成了95至118号元素。这样的探索仍在继续，我们渴望知道元素周期表的极限究竟在哪里。

元素周期表。| 图片来源：NASA/CXC/M Weiss

#参考来源：

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/8-ways-elements-made/

https://news.mit.edu/2021/neutron-star-collisions-goldmine-heavy-elements-1025

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：不二北斗