太阳系简史：恒星内部试炼与新元素产生的探索

恒星内部的环境与大爆炸后最初几分钟炽热、高密度的宇宙环境非常相似，这种环境比较少见。宇宙的核反应只维持了短短几分钟，但恒星内部如同一个巨大的核熔炉，可以燃烧数十亿年之久。这样的环境非常适合已有元素合成新元素。虽然新元素在恒星里的形成速度非常缓慢，但宇宙中还分布着几万亿颗恒星。130亿年来，恒星就是以这样的方式稳定地制造着新元素。大质量恒星会产生更多的新元素。随着时间推移，恒星已经将宇宙中2%的氢和氦转变成了更重的元素。

那么恒星内部的新元素究竟是如何形成的呢？20世纪50年代，核物理学家和天体物理学家开始正视和解决这个问题。弗雷德·霍伊尔便是其中的一员，他因强烈反对宇宙大爆炸理论而广为人知，但他的观点并没有受到重视。20世纪30年代，还在剑桥大学攻读硕士研究生的霍伊尔开始了他的科研生涯。在转而研究恒星内部的化学元素之前，他已经取得了多项重大发现。1953年，霍伊尔经美国核物理学家威利·福勒（Willy Fowler）介绍认识了玛格丽特·伯比奇（Margaret Burbidge）和杰弗里·伯比奇（Geoffrey Burbidge）夫妇，他们正在研究一个具有强磁场和强光谱且成分非常特别的恒星。伯比奇夫妇对粒子在恒星强磁力的加速作用下是否会产生新元素十分好奇。福勒对此也很感兴趣，于是提议4人一同探究恒星内部元素的形成（图6-2）。

图6-2　图中人物从左往右依次为：玛格丽特·伯比奇与杰弗里·伯比奇夫妇、威利·福勒和弗雷德·霍伊尔。照片中部为福勒在1971年某次会议中被赠予的60岁生日礼物——蒸汽火车模型。14年前，他们共同在美国物理学会综述性期刊《现代物理评论》上发表了一篇以恒星内部的元素合成为主题的著名论文（图片来源：Donald Clayton）

1956年聚斯和尤里发表了元素丰度表。隔年，福勒、伯比奇夫妇、霍伊尔4人（天文学家通常将他们合称为B2FH）在该表的基础上提出了一个全面的恒星核合成假说，解释了今日太阳系中的各种元素是如何形成的。

恒星中心之所以可以产生核反应，原因就在于恒星中心的压力和温度极高。在这种情况下，电子从原子上被剥离出来，只剩下由无电子的裸核和电子组成的等离子体，这种物质形态与大爆炸后最初的几分钟一样。粒子不断以超高速相互对撞。大多数时候，原子核的正电荷使它们互相排斥，这使它们无法真正结合在一起。尽管如此，每隔一会就会有两个原子核在核力的作用下克服了斥力，并紧靠在一起，从而结合成一个更大的原子核。核合成时会产生高能的γ辐射。γ辐射不断向外扩散，经过反复多次吸收和再辐射后，它的能量也在此过程中被逐渐耗尽。几千年后，这些辐射到达了恒星表面，并转化为可见光，逃逸到宇宙空间中。这就是恒星会发光的原因。

大部分恒星将氢转化为氦产生能量，恒星内部合成氦的方式有两种。在质量相对较小的恒星（如太阳）中，氢核通过一个叫作质子-质子链（图6-3）反应的核融合过程逐步产生氦核，每一步都要消耗一个氢核。第一步为两个氢核（质子）碰撞聚合成一个氘核，在此期间一个质子转化成了中子。氘核再接着和第3个、第4个质子分别进行同一反应，最后得到一个氦核。由于温度不够高无法继续形成更大的原子核，这个过程到此便结束了，至少暂时是这样。

质量比太阳大的恒星则以另一种方式生成氦。该反应的开端为一种最常见的碳同位素，即碳-12，碳-12由6个质子和6个中子组成。4个质子同时与1个碳-12发生碰撞聚合，并最终得到1个含有16个质子和中子的不稳定的原子核，同时分裂成1个碳-12和1个α粒子。它的最终结果和质子-质子链反应一样，都是4个氢核融合产生1个氦核。同时，由于原来的碳-12原子核被重组了，所以它还可继续作为媒介，使核反应得以继续进行。由于这个中间反应由氮和氧产生，所以整个过程被称为碳氮氧循环。

图6-3　恒星内部两类主要核融合反应的简化示意图。上图为质子-质子链反应生成氦-4，下图为三个氦原子核合成一个碳-12（也被称为三α过程）(www.xing528.com)

也许你会好奇最开始的碳-12是怎么来的。事实上，在很早的时候碳就已经存在于不同恒星的内部了，当恒星消亡时，碳就会被喷射到宇宙空间里。但第一颗恒星不可能通过碳氮氧循环燃烧氢，因为那时候宇宙中还没有碳。此后形成的恒星由于组成物质中含有碳元素，所以得以通过碳氮氧循环产生氦。

在恒星的整个生命历程中，向外膨胀和向内坍缩的两个力始终微妙地保持着平衡。恒星物质被恒星核心的核反应释放出的能量加热至几百万摄氏度，于是恒星内部压力增大而发生膨胀。如果没有其他力与之抗衡，这种巨大的压力足以使恒星爆炸。与此同时，恒星物质在本身强大引力的作用下不断向内部挤压，使物质的密度越来越高。大自然使这两种力互相制衡着彼此，谁也不能占上风。如果恒星开始收缩，核心物质的温度就会升高，核反应加速并释放出更多能量，从而使恒星再次膨胀。而当恒星过度向外膨胀时，核心变冷，核反应减慢，恒星在引力作用下就会再次收缩。

绝大多数恒星会维持这种平衡状态长达数十亿年。其间，恒星核心的氢逐渐被转化成氦，恒星的密度和温度也在逐渐增加和升高，但压力和引力始终保持着平衡。有一种叫作红矮星的小型恒星的寿命则长得多。一方面，它们的亮度不及太阳，所消耗的氢非常少；另一方面，它们不断地将外层的新鲜的氢融合到内部，替换反应后的物质。因此，最小的红矮星可以持续发光数万亿年，远大于目前宇宙的年龄。

恒星质量越大，亮度越高，氢的消耗速度也越快。最终，恒星核心的氢将耗尽。在恒星的生命将被耗尽时，核反应已经非常微弱，由于恒星内核变冷，向外膨胀的力无法再与来自外层物质向内的压力抗衡，所以恒星的内核在引力作用下向内坍缩，释放出来的引力使恒星核心周围的温度回升，于是含有大量氢元素的气体的核心周围又开始产生核反应。核反应产生的新能量使恒星外层物质受热升温，恒星由于压力增大膨胀到原来的几倍，最后发展成为一颗红巨星。

最终，由于温度和压力太高，恒星核心的氦核开始融合。第一步为两个氦核合成得到一个铍-8核，但铍-8核极不稳定，仅仅在1024分之一秒后，铍-8核便又分裂成两个α粒子。几乎每个铍-8核在形成后又立即被打回原形，所以此过程中没有新元素产生。但偶尔会有另一个α粒子歪打正着撞到昙花一现的铍-8核上，它们结合并形成了一个稳定的碳-12核，同时释放出能量（图6-3）。随着恒星核心在引力作用下继续收缩，原子核互相碰撞的速度越来越快，很快恒星开始以足够快的速度将氦聚变成碳，阻止恒星内部继续坍缩。

由于每生成1个碳核需要用到3个α粒子，所以天文学家将氦燃烧的过程称为“三α过程”。碳核有时会捕获一个α粒子而形成一个氧核。有趣的是，虽然铍-8核的生命看似转瞬即逝，但三α过程还是在有效地进行着，这是因为氦核、铍核和碳核的性质存在着一个幸运的巧合，这个现象最早是由弗雷德·霍伊尔发现的。霍伊尔发现，只要当时的环境稍有改变，铍-8核与α粒子结合的可能性都将大大减小，三α过程自然也无法进行。在那种宇宙环境中，碳、氧和其他所有元素统统无法形成，更别提生命了。

大多数恒星由于质量太小而无法将碳原子核和氧原子核融合生成原子量更大的元素。当恒星核心的氦耗尽时，核反应也随之终止。此时老化恒星的内核收缩，密度变大，粒子被紧紧压缩到极限，核反应转移到恒星核心外围的氦气和氢气层，反应所释放的能量使恒星进一步膨胀变大。恒星膨胀到一定程度时会将附近的行星吞没。50亿年以后，太阳将演化到这一阶段，到时不仅水星和金星有很大可能会被太阳吞没，就连地球也可能无法幸免。

随着燃烧壳层里的氢和氦逐渐燃尽，核反应释放出的能量产生不稳定的脉冲振荡，就像汽车发动机在油箱快空时会发出“劈啪”声一样。这些脉冲振荡将核心以外的物质都抛离恒星本体进入太空，只残留下由碳和氧组成的内核——白矮星，即密度极高的死亡恒星，白矮星内部不再有物质进行核聚变反应。经过漫长的时间，白矮星将慢慢冷却并黯淡下来。