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(jīng)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(jīng)發(fā)現(xiàn)了118種化學(xué)元素，它們構(gòu)成了我們所知的幾乎一切物質(zhì)——包括我們自己。雖然這些元素組成的物質(zhì)千變?nèi)f化，來源也各不一樣，但這些物質(zhì)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(xiàn)代大部分科學(xué)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(nèi)，就形成了構(gòu)成如今宇宙的各種基本粒子。在幾分鐘內(nèi)，溫度快速下降，部分質(zhì)子和中子通過核力結(jié)合在了一起，形成了氦原子核和少數(shù)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(chuàng)生之初產(chǎn)生。剩余的質(zhì)子與電子形成了最簡單的氫原子（氫原子核內(nèi)只有1個質(zhì)子）。在宇宙大爆炸時產(chǎn)生的元素中，氫的質(zhì)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(jīng)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(zhì)較為密集的區(qū)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(zhuǎn)，并逐漸向中心坍縮，使得核心部分的溫度不斷增加。當(dāng)星云的核心溫度增加到約1000萬℃時，引發(fā)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(wěn)定持久的氫核聚變創(chuàng)造了我們的太陽，也創(chuàng)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(yīng)形式是質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)。4個質(zhì)子（即氫原子核）通過該反應(yīng)聚變?yōu)楹ぴ雍恕Ｔ诤阈且簧?0%的時間內(nèi)，它都在進行著這樣的反應(yīng)，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(zhì)量1%的氫聚變?yōu)楹ぃㄟ@也說明了當(dāng)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(chǎn)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(chǎn)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(dāng)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(nèi)核的氦會繼續(xù)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(jīng)歷數(shù)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(nèi)核會形成致密的白矮星。

然而，對于質(zhì)量更大的恒星，核心的聚變會繼續(xù)進行下去，直到形成核聚變的最終產(chǎn)物——鐵。為什么是鐵呢？這就要涉及原子核的比結(jié)合能了。愛因斯坦的質(zhì)能方程告訴我們，質(zhì)量能夠轉(zhuǎn)化為巨大的能量，而在原子核的形成過程中，質(zhì)子和中子正是損失了一部分質(zhì)量，并通過這些質(zhì)量轉(zhuǎn)化成的能量結(jié)合在了一起。這種使質(zhì)子和中子結(jié)合在一起的能量叫作結(jié)合能，而結(jié)合能除以質(zhì)子和中子的總數(shù)得到的值叫作比結(jié)合能。比結(jié)合能的大小，體現(xiàn)了不同原子核中質(zhì)子和中子受到的束縛力的大小。比結(jié)合能越大，它們受到的束縛力越大，原子核也就越穩(wěn)定。在核聚變過程中，原子核不斷損失質(zhì)量而放出能量，比結(jié)合能也不斷升高，但在形成鐵元素時，比結(jié)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(nèi)部的核反應(yīng)在產(chǎn)生鐵元素之后就停止了。

超新星爆發(fā)與中子星合并

既然核聚變最終只能產(chǎn)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(fā)。

在大質(zhì)量的恒星走向生命的終點時，內(nèi)核的鐵再也無法發(fā)生核聚變反應(yīng)，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(wěn)定的外殼炸開，產(chǎn)生巨大的能量——超新星爆發(fā)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(jié)合，從而形成原子序數(shù)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(fā)之后，它的核心會形成更加致密的中子星，質(zhì)量更大一點的恒星甚至?xí)纬赏淌梢磺械暮诙础６袝r，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(fā)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(zhì)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(jīng)觀測到了中子星合并產(chǎn)生了數(shù)倍地球質(zhì)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(jīng)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?nèi)祟悺＿@樣一個一個簡單的原子和分子竟然能夠創(chuàng)造出像我們這樣復(fù)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(yīng)該心懷感激地仰望星空，因為星星是這萬物的創(chuàng)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(shù)紀元，有著萬中無一的緣分，才結(jié)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。