恒星核合成
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看看你細胞裡的碳、呼吸中的氧、血液裡的鐵、骨頭裡的鈣。這些原子從何而來?宇宙誕生之初它們並不存在——大爆炸幾乎只造出了氫和氦。每一個更重的原子,都是在恒星內部、由歷經數十億年的核反應建造出來的。恒星核合成,就是這場宇宙製造的名字:在恒星的中心與死亡中建造化學元素。我們,字面意義上,就是由星塵構成的。
這座工廠分階段運作。在普通恒星的核心,氫聚變成氦,再由氦聚變成碳和氧——這些較輕元素大部分都源自這裡。在更大質量的恒星裡,燃燒繼續向上,經氖、鎂、矽,一路到鐵,也就是聚變能划算地造出的最重元素。越過鐵,聚變便不再划算,所以最重的原子用別的方式建造:靠中子俘獲,在將死的巨星裡緩慢進行(慢中子俘獲過程),在超新星和中子星併合這類劇烈事件中快速進行(快中子俘獲過程)。每一種元素,背後都有一個關於它由哪種恒星過程造出的故事。
恒星核合成把恒星演化中所有別的概念串在一起,因為從化學的角度說,造出元素正是一顆恒星整個生與死的目的所在。而這些元素之所以與我們有關,是因為恒星隨後又把它們送回太空——通過星風、行星狀星雲和超新星——富集那團將形成新恒星、行星與生命的氣體。元素是在恒星裡鍛造出來的這一認識,在二十世紀中葉被理清,是科學的偉大成就之一:它把教室牆上的元素週期表,直接連到了恒星的生與死。
追蹤一口空氣裡的一個氧原子:它在一顆大質量恒星的核心由氦聚變而成,被一場超新星拋入太空,混進一團氣體雲,聚入新生的太陽和地球,最終被吸入你的肺。恒星核合成,就是這整段旅程。
幾乎每一個比氦重的原子,都是在恒星內部鍛造出來的——我們由星塵構成。
並非每種元素都來自恒星:氫、大部分氦,以及少量鋰,來自大爆炸本身,早於任何恒星。而鋰、鈹、硼大多是宇宙射線撞碎原子造出的,而非恒星。「在恒星裡造出」這句口號大體正確,但並不完全。