來自星星的元素

66年前，在美國加州帕薩迪納的威爾遜山天文台上，天文學家 Paul Merrill 用一台望遠鏡對天空進行觀測。當他在觀察一顆來自遙遠恆星所釋放出的光芒時，驚奇地發現了元素鍀（technetium）的蹤跡。

Paul Merrill站在威爾遜山天文台上的60英寸望遠鏡上的攝譜儀邊。| 圖片來源：卡內基科學研究所。

這是一個完全出乎意料之外的發現。鍀沒有穩定的形態，因此物理學家稱其為「人造」元素。Merrill 曾保守地說：「在恆星中找到一個不穩定元素是有些令人驚訝的。」

任何在恆星形成過程中出現的鍀，都應該在很久以前就轉變成了不同的元素，比如釕（ruthenium）或鉬（molybdenum）。作為一種人造元素，一定有人已經創造出了 Merrill 發現的鍀。但在那顆遙遠恆星上的鍀又是誰創造的呢？

鍀原子核在幾百萬年內轉化為釕或鉬。所以如果我們現在發現它們，那它們就不會是從宇宙大爆炸中遺留下來的產物。| 圖片來源：Erin O"Donnell，密歇根州立大學。

1952年5月2日，Merrill 在《科學》雜誌上發表了這一發現。Merrill 所提供的三種解釋指向的結果都是：恆星能創造重元素！Merrill 不僅解釋了一個令人費解的觀測結果，還為我們打開了一扇理解宇宙起源的大門。在科學中，並沒有多少新的發現足以徹底改變我們對世界的看法，但是這個發現做到了。它所揭示的新的宇宙繪景簡直令人興奮，而這一發現所帶來的影響，到現在仍推動著核科學的研究。

元素從何而來？

在20世紀50年代初，我們尚不清楚構成我們的宇宙、太陽系甚至我們人類自身的元素都是如何形成的。最初，一種廣為流行的說法是認為它們全部都源自於宇宙大爆炸。

第一種替代方案是由 Hans Bethe、Carl Friedrich von Weizs?cker、還有 Fred Hoyle 等一批當時著名的科學家所發展的。但是，直到 Merrill 的觀察出現之前，並沒有誰能真正拿出一套令人信服的理論來解釋元素的起源。

Merrill 的發現標誌著一個全新領域——恆星核合成——的誕生。它是一門研究元素——或者更準確地說是研究原子核在恆星中如何合成的學科。很快，科學家就開始試圖弄清恆星中元素的合成究竟有著怎樣的過程。這是核物理必須發揮作用的地方，以幫助解釋 Merrill 驚人的觀測結果。

恆星中心的原子核聚變

恆星中發生的核過程將豐富的氫原子一步步構建成更重的元素，一路從氦和碳發展到鍀、以及更重的元素。

1957年，有四位當時著名的核天文物理學家一同合作，發表了《恆星中元素的合成》一文，他們分別是 Margaret Burbidge、Geoffrey Burbidge、William Fowler 和 Fred Hoyle。這一著作根據四位作者姓氏的開頭字母，被稱為B2FH。這篇論文至今仍是描述恆星中天體物理過程的一大參考。同年，Al Cameron 也在他的論文《恆星中的核反應和核生成》中闡述了他獨立得出的相同理論。

下面便是他們共同努力譜寫的故事。

恆星，非常的重。或許你會認為它們會因自身的引力而徹底坍縮——但是，它們並不會。阻止這種坍縮的原因是發生在恆星中心的核聚變反應。

當原子核相撞時，它們有時會聚變，形成新的元素。| 圖片來源：Borb

一顆恆星包含了數以億計四處遊盪的原子。有時，它們會相互碰撞。一開始恆星的溫度太低，因此當原子核發生碰撞時，只會簡單地相互彈開。但是，隨著恆星因引力的作用而被壓縮，其中心處的溫度開始升高。在如此高溫的條件下，原子核再次相遇時，就有了足夠合併在一起的能量。這就是物理學家所說的核聚變反應。

這些核反應能達到兩個效果。

首先，它們釋放出的能量會增加恆星的溫度，從而提供一個向外的壓力。這會防止因引力而造成的坍縮，並讓恆星在數十億年間都保持平衡。其次，它們會將較輕的元素融合成較重的元素。從氫氣和氦氣開始，恆星慢慢地製造出 Merrill 觀測到的鍀、我們骨骼中的鈣、還有首飾中的黃金。

許多不同的核反應負責這一切的發生。而在實驗室中對它們進行研究是件非常困難的事，因為原子核很難融合。這就是為什麼60多年來，核物理學家仍夜以繼日的致力於研究驅動著恆星的核反應。

揭開元素的起源之謎

現在，我們有更多的方法來觀察整個宇宙中元素誕生的跡象。

古老的恆星在形成之時就記載著宇宙的成分。隨著越來越多不同年齡的恆星被我們所發現，它們的成分開始為我們講述著星系中元素合成的故事，從它們形成於宇宙大爆炸之後的不久到今天。

研究人員了解得越多，所得到的圖景就越是複雜。在過去10年中，天文觀測為元素創造的過程提供了比預期更為寬廣的證據。對於其中的一些過程，我們甚至無法知道它們出現在哪種恆星或恆星爆炸中。但是天體物理學家認為，所有這些與恆星有關的事件都已經對漩渦狀塵埃雲的形成提供了它們特有的元素混合。這些旋渦狀塵埃雲最終成為了太陽系。

最近的一個例子是去年世界各地的科學家同時探測到了雙中子星合併事件所輻射出的引力波和電磁波信號。這一觀測結果表明，雙中子星的合併也會對宇宙中的重元素的產生做出巨大貢獻——它們創造出的是手機中使用的鋱、釹和鏑等所謂的鑭系元素。就像當時 Merrill 作出的發現一樣，世界各地的核科學家正爭先恐後地運轉著他們的加速器，試圖弄清楚究竟是怎樣的核反應才可能解釋所有這些新的觀測結果。

改變我們世界觀的發現不是天天都能發生。但是當它們出現時，就能提供比答案還要更多的問題。這需要花費我們大量的心血和努力，才能找到新的科學拼圖遊戲中所有的組成部分，再將它們一個一個地拼湊完整，最終得到新的理解。利用現代望遠鏡進行的先進天文觀測不斷地為我們揭示著越來越多隱藏在遙遠恆星中的秘密。最先進的加速器實驗設備對恆星中能創造元素的核反應展開研究。複雜精密的計算機模型將這些全部匯聚在一起，試圖重現已知宇宙中的各個部分。同時，也繼續探索著那些仍然隱藏著的部分，直到下一個重大發現的出現。

撰文：Artemis Spyrou（密歇根州立大學核物理學家）、Hendrik Schatz（密歇根州立大學核天體物理學家）

翻譯：不二北斗

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