濒死的恒星制造重元素：爆炸是关键

宇宙大爆炸约1.8亿年后，在原始物质的坍塌云中，恒星开始形成。宇宙中含有大量的氢和氦，以及少量的锂、铍和硼，但没有其他更重的物质了。同样在1920年，爱丁顿又提出了一个很有预见性的假设：“情况大致可总结如下：所有元素的原子都是由氢原子结合而成的，并且都可能在某个阶段由氢形成；恒星内部似乎是最有可能发生演化的地方；无论演化何时发生，都会释放大量的能量，而这些能量是迄今为止未经解释的。如果你愿意，可以就此得出一个结论。”

爱丁顿的假设很快就被扩展为一个完整的理论。1946年，英国天文学家霍伊尔（F. Hoyle）提出，可以证明恒星是元素的诞生地。霍伊尔是研究红巨星（恒星燃烧到后期的一个不稳定阶段）内部条件的三位天文学家之一，所以他的观点具有坚实的依据。1951年，美籍奥地利裔天体物理学家萨尔皮特（E. Salpeter）证明，3个氦核（原子质量4）很可能融合成1个碳核（原子质量12），但不是在大爆炸中，而在一颗红巨星的中心。

1994年，天文学家、物理学家霍伊尔爵士在其家乡英国伯恩茅斯留影。霍伊尔认为，生命或生命的组成部分可能是由彗星或漂移的星际尘埃粒子带到行星上的

1952年的光谱分析结果，成为“恒星核合成”的第一个无可辩驳的证据。该结果表明红巨星的大气层中存在锝，它是第一种合成元素。由于锝的最大半衰期为420万年，而恒星有数十亿年的历史，所以锝不可能一直存在，必定是恒星制造出来的，可能来源于日复一日的恒星活动。

霍伊尔与大爆炸

奇怪的是，霍伊尔拒绝接受大爆炸理论（正是他创造并讽刺性地使用了“大爆炸”这个词）。相反，他认为氢是不断地从空间和能量的真空中创造出来的，不需要任何源头——这是一种自发的来自虚无（ex nihilo）的创造。听着耳熟吗？从虚空和混沌中创造！

1957年，奥地利物理学家、化学家苏斯（H. Suess）和美国化学家尤里（H. Urey）共同绘制了一张元素丰度与原子序数对照表（见下图）。由于丰度相差悬殊，他们不得不使用对数比例尺，以便让所有数字处于同一张图上。虽然相对丰度不是一目了然的，但丰度随着原子序数的增加而减少，这个大体趋势显而易见。关于这一趋势，可以推测其形成原因在于：原子序数较低的元素是最先、也最容易被制造的。但如我们所见，这条曲线不断上下波动，这是因为丰度还与元素的原子序数是奇数还是偶数有关。苏斯和尤里的图表加上红巨星中存在的锝，被用于解释所有元素的来源问题。

太阳系中元素相对丰度的苏斯-尤里对照表

这是在1957年一篇著名的论文中提出的，题为《恒星中元素的合成》，这篇论文通常以其四位作者的姓氏首字母组合被简称为B²FH——伯比奇夫妇（Margaret & Geoffrey Burbidge）、福勒（W. Fowler）和霍伊尔。这篇论文奠定了星体核合成理论的基础，并预测了恒星和超新星（爆炸的恒星）中元素形成的三个步骤，还阐述了恒星的构成（由光谱学确定）与其年龄之间的关系，表明最古老的恒星含有最轻的元素，只有较新的恒星才含有较重的元素。

当一颗比太阳大得多的恒星到达生命尽头时，就会发生超新星爆炸。这颗恒星已经融合了自己大部分的氢，越来越多的质量被拉入其核心。或者，当一颗恒星从周围吸入物质时，吸入的物质超过了它的承受能力，超新星爆炸也会发生。恒星核心的质量越大，其引力就越大，就会吸入越多的质量，这个过程会呈指数级加速，最终导致灾难性的后果。当恒星在自身引力作用下坍塌时，核心密度趋于极端，最后在持续数周的大规模核爆炸中走向终结。

在这短暂的时间内该恒星所释放的能量，可以超过太阳在整个上百亿年的生命中产生的所有能量。在这一过程中，濒死的恒星制造了重元素。连恒星核心也无力制造这些重元素，爆炸的强劲轰击却可以。从恒星中被抛出的原子受到中子的轰击，中子进入原子核，分裂成质子和电子，造出新的、更重的原子。结果就是炼金术士的目标实现了，铁变成了金（以及令人扫兴的，金变成了铅）。这些新的重原子被抛到太空中，在星际介质中飘来飘去，直到几百万年乃至几十亿年后，被吸入一颗新的恒星。因此，它们可能成为行星系统的一部分，也许最终会成为一种生命形式。(www.xing528.com)

2014年拍摄到的梅西耶82星系的超新星SN2014J。这颗超新星距离地球1100万光年，它抛出的质量相当于太阳质量的60%，形式为镍-56（半衰期6天），衰变为钴-56（半衰期77天），继而衰变为稳定的铁-56

正如卡尔·萨根所说，我们都是星尘。

到1957年，元素起源问题已基本得到解答，只需要在随后的几年里做些相对较小的修正而已。恒星的金属性（其中氢、氦之外物质所占的比例）会随着年龄的增长而增加，因为当一颗恒星走到生命的尽头时，内部就会锻造出较重的元素。再后来，它所生成的所有元素都会被排出，进入星际介质，继而融入由这些介质形成的新恒星中。至于其他元素，则可在超新星或其他极端的天体环境中制造。

恒星一旦形成铁核，就不可能通过核聚变产生能量了。恒星以惊人的速度辐射能量，变得像个持有信用卡的少年，它使用资源的速度远远超过了补充资源的速度，正处于灾难的边缘。

——哈佛-史密森天体物理学中心教授柯什纳（R. Kirshner）

实时创造

在整个宇宙的尺度上，每秒钟可诞生一颗超新星；在银河系的尺度上，则大约每50年发生一次。1604年，有人记录了最后一颗肉眼可见的超新星。2008年，一位天文学家首次“实时”观测到了超新星爆炸（且不论辐射到达地球需要8800万年）。美国天体物理学家索德伯格（A. Soderberg）和她的同事“如实”地看到了SN2008D发出的持续5分钟的X射线辐射。

SN1006是一颗绚烂辉煌的超新星，在公元1006年曾被目睹。这可能是人类见过的最亮的一颗星，其碎片云的直径现在仍然长达60光年

这一过程中存在一个例外。

硼这个元素似乎本不应该存在。按照它的原子构型，是不可能在恒星中通过星体核合成制造出来的，甚至有可能也不是在大爆炸（原始核合成）中出现的。恒星往往会破坏其最初拥有的硼。与铍和锂类似，硼是由不时发生的、随机的过程产生的，这个过程被称作“宇宙射线核合成”。太空中有着丰富的高能质子组成的宇宙射线，当它们飞速穿梭时，常与星际气体云中的碳和氧发生碰撞。碰撞（或称“散裂”）导致碳原子和氧原子解体，产生的碎片中就包括硼、铍和锂。这些元素在宇宙中的数量相对较少，因为它们的产生方式太过随意了。