我們每一個人都是星塵

韓佳安

我們DNA里的氮元素、我們牙齒里的鈣元素、我們血液里的鐵元素，還有我們吃掉的東西里的碳元素，都是曾經大爆炸時的萬千星辰散落后組成的，所以我們每一個人都是星塵。

——卡爾·薩根

在宇宙中已經發現了118種化學元素，它們構成了我們所知的幾乎一切物質——包括我們自己。雖然這些元素組成的物質千變萬化，來源也各不一樣，但這些物質中基本的原子有著幾乎一致的來源——那些在夜空中閃耀的恒星。

宇宙大爆炸

現代大部分科學家認為，我們的宇宙起源于一個密度無限大而體積無限小的點——奇點。在大約138億年前，這個點突然開始劇烈地膨脹，在不到1秒的時間內，就形成了構成如今宇宙的各種基本粒子。在幾分鐘內，溫度快速下降，部分質子和中子通過核力結合在了一起，形成了氦原子核和少數鋰原子核，以及氫的同位素（氘和氚），但在此之后的元素沒法在宇宙創生之初產生。剩余的質子與電子形成了最簡單的氫原子（氫原子核內只有1個質子）。在宇宙大爆炸時產生的元素中，氫的質量約占75%，氦約占25%，這個比例直到今天基本沒有改變。

在接下來的100多億年中，宇宙經歷了星系的形成，以及各種各樣恒星的誕生和消亡，而正是在這樣璀璨的星辰變幻中，誕生了其余對宇宙而言“微量”卻對我們無比重要的元素。

恒星的演化

在大爆炸后的幾十萬年中，宇宙中物質較為密集的區域通過引力的作用逐漸收縮聚合到一起，形成了最原始的星系。在這些星系中有著大小不一的星云，它們圍繞著中心旋轉，并逐漸向中心坍縮，使得核心部分的溫度不斷增加。當星云的核心溫度增加到約1000萬℃時，引發了氫核聚變，開始向外傳播光和能量——一顆恒星誕生了。氫核聚變是所有恒星的主要能量來源。穩定持久的氫核聚變創造了我們的太陽，也創造了我們地球上的光和生命。它也曾被用來制造人類歷史上威力最大的“滅世武器”——氫彈。

在恒星中，最常見的氫核聚變反應形式是質子-質子鏈反應。4個質子（即氫原子核）通過該反應聚變為氦原子核。在恒星一生90%的時間內，它都在進行著這樣的反應，直到它核心的氫燃料耗盡為止。不過，事實上，恒星一生中也只有占總質量1%的氫聚變為氦（這也說明了當今宇宙中25%的氦含量不可能完全來自恒星，而是來自宇宙大爆炸）。

在恒星進行氫核聚變的青壯年期，聚變產生巨大能量的對外輻射對抗著恒星自身的引力，使得恒星不會因為引力而進一步坍縮。然而，在核心的氫燃料耗盡后，核心的能量再也無法對抗引力，恒星的外層因此向中心坍縮，溫度也不斷升高。隨后，恒星外層的氫也被點燃進行聚變，這使得恒星外層產生巨大的能量而快速膨脹，成為紅巨星。紅巨星的半徑可以達到恒星原本半徑的幾百倍——當太陽成為紅巨星時，它的半徑能夠大到吞噬地球！紅巨星的外層氫開始聚變后，內核的氦會繼續坍縮一段時間，直到溫度達到約1億℃時，氦的聚變將會點燃。

像太陽這么大的恒星，在氦燃燒殆盡后，核心不再有足夠的溫度進行下一步的聚變。此時，恒星外層的氫在經歷數次坍縮和膨脹后被拋至星際空間，形成行星狀星云，而中間的內核會形成致密的白矮星。

然而，對于質量更大的恒星，核心的聚變會繼續進行下去，直到形成核聚變的最終產物——鐵。為什么是鐵呢？這就要涉及原子核的比結合能了。愛因斯坦的質能方程告訴我們，質量能夠轉化為巨大的能量，而在原子核的形成過程中，質子和中子正是損失了一部分質量，并通過這些質量轉化成的能量結合在了一起。這種使質子和中子結合在一起的能量叫作結合能，而結合能除以質子和中子的總數得到的值叫作比結合能。比結合能的大小，體現了不同原子核中質子和中子受到的束縛力的大小。比結合能越大，它們受到的束縛力越大，原子核也就越穩定。在核聚變過程中，原子核不斷損失質量而放出能量，比結合能也不斷升高，但在形成鐵元素時，比結合能也達到了最大——鐵及以上元素的聚變不僅不放出能量，還要吸收能量！這就是為何恒星內部的核反應在產生鐵元素之后就停止了。

超新星爆發與中子星合并

既然核聚變最終只能產生鐵，那么，鐵之后的元素是如何形成的呢？事實上，它們大部分來自宇宙中最璀璨的光芒——超新星爆發。

在大質量的恒星走向生命的終點時，內核的鐵再也無法發生核聚變反應，整個恒星開始劇烈地坍縮。在坍縮過程中，核心釋放出大量能量，將不穩定的外殼炸開，產生巨大的能量——超新星爆發時的亮度甚至可以超過它所在星系的總亮度！在此過程中，核心釋放出大量的高能中子，這些能量極高的中子會與外殼的原子核結合，從而形成原子序數更大的元素。我們所見金銀的閃耀，都是來自這宇宙中最璀璨焰火的淬煉。

超新星爆發之后，它的核心會形成更加致密的中子星，質量更大一點的恒星甚至會形成吞噬一切的黑洞。而有時，兩個中子星或黑洞靠近時，它們會互相吸引直至合并。在合并過程中，它們甚至能釋放出超過超新星爆發的能量（人們正是通過它們釋放的能量觀測到了引力波），同時也會有大量的物質被拋射到宇宙空間中，其中就包含了許多重元素。事實上，人們已經觀測到了中子星合并產生了數倍地球質量的黃金。

來自星星的我們

宇宙中的元素在滿天繁星的光芒中被孕育，又經過億萬年的漂泊，形成了我們的太陽系，形成了我們的地球。而在這渺小又偉大的家園中，又是幾十億年的滄桑變化，才誕生了神奇的生命，誕生了我們人類。這樣一個一個簡單的原子和分子竟然能夠創造出像我們這樣復雜的生物，這是多么難得的奇跡！我想，我們是無比幸運的。我想，人們應該心懷感激地仰望星空，因為星星是這萬物的創世神，是我們每個人的母親。我們渾身上下的每一個原子，都是跨越了無數紀元，有著萬中無一的緣分，才結合到了一起，造就了屬于我們的奇跡——我們每一個人都是星塵。

有人說，世間所有的相遇都是久別重逢。我想，億萬年前，我們或許真的曾在星空中相見。