元素的旅程始于大爆炸的最初時刻，當時我們的宇宙只有幾秒鐘到幾分鐘的歷史。

大爆炸模型認為一場劇烈的爆炸產(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刻，當時我們的宇宙只有幾秒鐘到幾分鐘的歷史。當時，整個宇宙被塞進了一個比今天小數(shù)百萬倍的體積中。由于密度高得令人難以置信，宇宙中所有物質(zhì)的平均溫度遠遠超過十億度，這足以發(fā)生核反應。事實上，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。

但宇宙不會長期保持這種狀態(tài)。它正在膨脹，這意味著它也在冷卻。最終，夸克可以結合在一起形成第一個質(zhì)子和中子，而不會立即被摧毀。質(zhì)子比中子略輕，這使它們在粒子產(chǎn)生的初始階段具有優(yōu)勢。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）

當重粒子最終形成后，大約每個中子會伴隨有六個質(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)子結合形成第一批原子核。在所有輕元素中，由兩個質(zhì)子和兩個中子組成的氦-4具有最大的結合能，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。

通過這樣的計算，宇宙學家可以預測，宇宙開始時大約有75%的氫（這只是一個裸露的質(zhì)子）、25%的氦和少量鋰的混合物——這正是天文學家觀察到的。

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﹦恿?，將氫轉(zhuǎn)化為氦。這個過程會留下一點點能量。但是恒星有如此多的氫氣，它們可以燃燒數(shù)十億年，有時甚至是數(shù)萬億年。

在生命的盡頭，像太陽這樣的恒星轉(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。事實上，氧是地球上最常見的元素，盡管它大部分與硅酸鹽結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、幾天甚至幾個小時里，宇宙中質(zhì)量最大的恒星會產(chǎn)生氮、氖、硅、硫、鎂、鎳、鉻和鐵。

這是恒星內(nèi)元素形成的終點——它們強大的能量能夠產(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產(chǎn)生的，它們通過各種迷人、復雜和壯觀的方式產(chǎn)生。較小的恒星慢慢地將它們核反應區(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。較大的恒星將會產(chǎn)生超新星爆炸。這兩種死亡都會留下殘余——小恒星會留下白矮星，白矮星幾乎完全由碳和氧組成；較大的恒星會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，導致它引發(fā)超新星爆炸。中子星的碰撞，會產(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。正是通過這些災難，元素周期表的其余部分才應運而生。

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，慢慢地豐富了整個宇宙。

BY:Paul Sutter

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來源: 天文在線