天文|惊喜：宇宙中第三常见的元素与你所认识的不一样最大的恒星|恒星形成|原子核

现存最值得注意的事实之一就是每一种我们触碰过、看见过或者说有过接触的材料都由相同的两种东西组成：带正电的原子核和带负电的电子。这些原子相互作用：它们相互推拉，相互结合，吸引和排斥对方，创造新分子，稳定分子、离子、电子能态，毫不夸张地说这些相互作用的方式是我们周围世界完整存在的原因。
尽管我们的宇宙以及我们能观察到的宇宙性质都是基于原子及其相关成分的量子和电磁性能，但十分重要的一点是，宇宙的初期，并不具备足以创造我们如今所知物质的所有元素。甚至恰恰相反，它开始不存在任何元素。

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大家看，为了实现这些不同的化学键结构，为了构建复杂的分子用于形成我们能感知到的一切组件，我们需要多种多样的原子。需要留心的是，这不仅仅是大量数量的原子，而且是大量种类的原子，这意味着原子的原子核内质子数量不同，正是这一点区分不同的元素。
我们每个人体内都需要C、N、O、P、Ca和Fe这些元素。地球地壳则需要硅和大量其他重元素构成，然而为了不断产生地核内的热量，需要元素周期表内我们能在自然界中找到的最重的元素：钍、镭、铀，甚至是痕量的钚。

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但回到宇宙最初的阶段，在人类、生命、太阳系出现之前，在岩态行星甚至是第一颗恒星出现之前，我们曾经所拥有的只有热的电离的质子、中子和电子组成的海洋。没有元素、没有原子、没有原子核，这个初生的宇宙温度太高了以致于这些都无法出现。只有后来这个宇宙发生了扩展和冷却，才能够形成稳定的物质。
随着时间流逝，第一个原子核熔凝在一起没有马上炸开，产生了氢及其同位素、氦及其同位素，还有极少量的锂和铍，而后者会放射性衰变成锂。这个宇宙开始时，按原子核数量来算，有92%的氢， 8%的氦以及大概0.00000001%的锂。如果按质量来算，大概有75-76%的氢， 24-25%的氦以及0.00000007%的锂。无论你怎么划分，几乎都是氢和氦。

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几十万年过后，宇宙冷却到中性原子能够形成，在那之后的数千万年后，引力坍缩使得第一颗星球形成。有了这第一颗星球，核聚变现象不仅仅是为宇宙带来了光明，且将重元素带进了我们的现实。
大约是大爆炸之后的五千万到一亿年，第一颗恒星初生之时，大量的氢开始聚变形成氦。但更为重要的是，质量最重的恒星（大概比太阳质量的8倍还多）很快就在仅仅几百万年间燃烧尽了这种燃料。一旦它们用尽了其星核心内的氢，氦核紧缩，三个氦核开始聚合形成碳！大约仅仅只是花费了整个宇宙中存在的一兆个（1012）的重型恒星（宇宙最初几亿年形成的1012颗恒星）就使得锂被打败了（碳的含量超过了锂）。

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碳元素会打破规则成为今天的第三元素吗？你可能会这样认为，既然恒星将具有洋葱构造的元素融合了。氦元素融合形成碳元素，在更高的温度（经过一段时间）碳元素融合形成氧元素，氧元素融合形成硅和硫，硅最后会融合形成铁元素。在这条聚变链的终端，铁元素不会再融合成为别的元素，所以星核内爆，恒星成为了超新星。

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【天文|惊喜：宇宙中第三常见的元素与你所认识的不一样】图源：NASA
形成这些超新星的步骤及其后果丰富了这个宇宙，使得所有恒星的外层充斥着重新转换形成的氢、氦、碳、氧、硅和所有的更重的元素，它们是经过一些其他途径形成的：

缓慢的中子俘获（s过程），按次序形成元素。
氦核与更重的元素的融合（形成氖，镁，氩，钙等）。
快速的中子俘获（r过程），形成其他元素一直到铀，甚至是更重的元素。

但我们不仅仅有此单一的恒星产生方式，我们有很多，现今存在的主要形成方式不仅来自于原始的氢元素和氦元素，而且来自之前恒星形成时产生的一些元素。这非常重要，如果没有这一点，我们永远不可能形成岩体星球，仅仅只是一团氢和氦组成的巨型气团！

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【天文|惊喜：宇宙中第三常见的元素与你所认识的不一样】图源：NASA
在超过数十亿年的时间里，恒星的产生和死亡的过程在不断重复，尽管逐渐充斥着越来越多的原料，现在大量的恒星通过我们熟知的C-N-O循环来融合氢，而不是简单地融合氢成为氦，随着时间的推移来平整碳和氧的数量（以及有些较少的氮）。
除此之外，当恒星经历氦融合形成碳时，额外的氦原子也很容易形成氧（甚至加上更多的氦于氧中还能够形成氖），发生一些我们微不足道的太阳在红巨星阶段下会发生的变化。

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图解：太阳，它会变为红巨星（与大角星类似的橙色恒星），图中是大角星与最大的红超巨星心宿二。图源：Wikipedia
但恒星存在一个致命性的行为使碳元素成为宇宙方程中的失败者：当恒星足够大使得碳元素开始融合——出现形成类型II超新星的需求——这个过程使得碳近乎完全转变为氧，当恒星准备好爆炸时这个过程能显著地制造比碳更多的氧气。

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当我们看着超新星残留物和行星状星云——分别是非常巨大的恒星残留物和类日恒星——我们发现在每种星云中都会发生氧气过剩然后超过碳。我们还没发现有其他更重的元素有接近的情况！
是的，氢仍以极大的余量成为头号元素，氦也以非常大的数量作为二号存在，但在所有剩余的元素中，氧是强有力的三号，紧接着碳是四号，然后氖是五号，氮、镁、硅、铁、硫分列六、七、八、九、十号。

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图解：在太阳系中观察得到的现代元素丰度。图源：Wikipedia
更远的未来会怎样？
在足够长的时间内，这个时间至少是现代宇宙年龄的上千倍（更有可能是数百万倍），恒星持续形成直到燃料被释放于银河系空间或尽其所能地被完全燃烧。当到了这个时候，氦可能最后取代氢作为最丰富的元素，或者如果能有足够的氢从融合反应中分离出来，氢仍旧是头号元素。在更长的时间尺度内，未被我们的星系释放出来的物质可能会一遍又一遍融合在一起，那么碳和氧可能甚至会在某一天超过氦，我们现在的三号和四号元素最后会突破前两位也有可能？

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图解：这两个棕色的小不点在难以想象的很长的时间内会合并在一起形成一个恒星，也许最后在足够长的时间，它的主体会开始融合反应。图源：NASA
最重要的事就是坚持不懈，因为这个宇宙仍在变化！氧现在是宇宙中丰度第三的元素，在非常非常遥远的未来，它甚至有机会随着氢元素（然后可能是氦元素）从高位下落而进一步上升。每次当你呼入氧气并感到满足时，要感谢在我们之前存在过的所有恒星：他们是我们能拥有氧气的唯一原因。
作者: Ethan Siegel
FY: Miss K
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