2008年9月29日，致力于解開銀河系歷史之謎的科學家們聚集在了加州大學圣芭芭拉分校，參加一次叫做“回到銀河II”的大會[1]。與會者都有著不同的研究方向，有的在尋找暗物質，有的在研究氣體動力學，有的則對遙遠的星系進行觀測。這些科學家會為鋇（Ba）原子與銪（Eu）原子的比例問題而興奮，并且毫不掩飾對于通過比較硅（Si）與鐵（Fe）的含量能夠學到的東西的熱愛。

“我們都是星塵”

“地球的表面就是宇宙汪洋之濱。我們的本能告訴我們，我們是在這個大海里誕生的。我們還鄉心切。我們也會。因為宇宙也在我們之中。我們都是星塵。”

——卡爾·薩根

在對恒星化學成分的新研究的沖擊下，一些科學家正在學習天體物理學過程中元素的形成。一個反復出現的問題是，“這個元素是從哪里來的？通過研究它，我們從中能夠學到什么？”

為了致敬卡爾·薩根，參加那次會議的Jennifer Johnson和Inese Ivans開始著手研究，是什么類型的恒星產生了這些元素。

帶著一張打印的元素周期表，他們在附近的商店里買了一堆馬克筆，便準備開始確定宇宙中每個元素的物理起源的工作，他們根據每一個元素是如何被創造的來對它們標以不同的顏色。

由于馬克筆中的顏料所剩有限，這讓他們無需費心要把一切都做到絕對的正確，這阻止了他們陷入細節的泥沼，并且最終制作出了一張手寫標注版的元素周期表，還在大會剩余的時間里向感興趣的天文學家炫耀了一番。

○  手繪版的元素起源周期表。| 圖片來源：Johnson & Ivans

探尋宇宙中元素起源的歷史

Jennifer和Inese制作的圖表是我們對過去一個世紀的工作的一種提煉。

1920年，愛丁頓（Arthur Eddington）爵士第一次提出，氫（H）聚變成氦（He）的過程是太陽的能量來源。二十年后，諾貝爾獎獲得者貝特（Hans Bethe）使用新的核物理學數據計算出，事實上正是核聚變讓太陽發光發熱。然而，恒星的能量來源和宇宙中氣體、恒星、行星的化學之間的聯系一直困擾著科學家，這不是因為他們不了解恒星，而是因為他們不理解原子核。

○ 太陽的日冕層上形成一個“？”形狀的黑色孔。太陽質量中約73%為氫，25%為氦，其余是氧、碳、氖、鐵等較重的元素。| 圖片來源：NASA/GSFC/Solar Dynamics Observatory

到了上個世紀五十年代，Margaret和Geoff Burbidge、Fred Hoyle、以及Willy Fowler等人堅持不懈的工作給出了結論：比氦更重的元素是恒星內核聚變形成的，然后在恒星死亡的過程中散播到宇宙中。他們的成就之一是表明了從氦直接聚變為碳（C）而跳過中間討厭的鋰（Li）、鈹（Be）、硼（B）三種元素是可能的，這項成就被寫入了Fowler的諾貝爾獎引文中。（關于鋰、鈹、硼的故事可進一步閱讀：《三個不一般的元素》）

雖然在1960年，我們就已經有了大致的圖景。但如果僅根據那個年代的知識用顏色標記圖表的話，那么幾乎一切的細節都會是錯誤的。像是發現白矮星爆炸產生鐵（Fe），第一批達到太陽質量的恒星會產生鉛（Pb），這些關鍵的突破已被逐漸地堆積起來。對恒星成分的觀測、瀕死恒星爆炸拋射出的氣體、放射性元素衰變產生的亮光，這些觀測結果與預測恒星內核聚變的、復雜的計算機模型結合，最終產生了Jennifer和Inese在2008年轉化成斑駁的藍綠色、橙色和黃色的數據表格。

天文學家總是喜歡開玩笑說，在他們的眼中只認識元素周期表中的三種元素：氫、氦和“金屬”。是的，與化學家不同，天文學家不僅將金（Au）、錫（Sn）、銀（Ag）、銅（Cu），也將氧（O）、氖（Ne）、氯（Cl）等作為金屬元素。作為劃分“那些主要在大爆炸中形成的”和“其他一切”元素的一種方式，這樣的命名體系確實很有效。

○  天文學家眼中的元素周期表。正方形的面積表示不同元素的相對豐度，正方形越大代表該元素在宇宙中的豐度越多。在元素周期表中大多數的元素的正方形小到都無法顯示出來。| 圖片來源：One Universt At a Time

當然，宇宙并不那么簡單。由于不同質量和成分的恒星形成并死亡，它們以不斷變化著的大量元素豐富了銀河系的氣體。恒星大氣層是其從中誕生的氣體的保存樣本，是刻在恒星表面上的化石記錄；并且是其恒星祖先的核合成之總和。如果我們能夠破譯這樣的化學指紋，就能夠知道之前的恒星的狀況。通過數黑洞的數量來衡量曾經存在過的大質量恒星的數目并不容易，但是觀察黑洞形成時遺留的、累積下來的噴射物就容易多了。

○ 元素周期表上不同顏色的標記表示元素在宇宙中的不同起源：大爆炸熱核聚變（藍）、雙中子星合并（橙）、瀕死的低質量恒星（黃）、宇宙射線裂變、爆炸的大質量恒星（綠）、爆炸的白矮星（淡藍）、淺灰色：周期極短的放射性同位素，沒有恒星殘留。| 圖片來源：NASA/ESA/G. Dubner et al./A. Loll et al./t.Temim et al./ F. Seward et al./VLA/NRAO/AUI/NSF/ Chandra/CXC/Spitzer/JPL-Caltech/ SMM-Newton/ESA/Hubble/STScl

由于對銀河系中恒星和氣體的化學成分的最新的以及持續的研究，這張標記了元素起源的周期表也在持續地演化。目前的版本 （下圖）于2017年在美國天文學會冬季會議的新聞發布會上首次亮相，當時Jennifer是斯隆數字化巡天（SDSS）項目的隊伍中的一員，這個項目自2008年以來一直在繪制我們的宇宙。SDSS測量了10萬多顆恒星的化學成分，包括六種構成生命的關鍵元素：碳、氫、氮、氧、磷和硫，它們被稱為CHNOPS。人體質量的>97%都是由這些元素構成的。

○  研究發現，生命所必須的六種元素遍布在銀河系，越靠近銀河系中心元素的豐度越高。圖中不同顏色代表不同的元素，以及跟人體的關聯，比如肺中的氧到骨骼中的磷。光譜的凹陷的大小代表了元素在恒星大氣的總量。| 圖片來源：Dana Berry/SkyWorks Digital Inc.; SDSS collaboration

未完結的故事

關于元素起源的故事遠沒有完結，Jennifer的工作也在繼續。2017年秋天，當人類探測到雙中子星碰撞產生的引力波的時，Jennifer對元素周期進行了第一次的修正。對于引力波和電磁波的后續研究證實了一種理論，那就是，這些不同尋常的天體爆炸會噴射出大量的金（Au）元素以及快中子捕獲過程（r-過程）中創造出的元素。

○  大麥哲倫星云中的超新星遺跡。超新星是宇宙中比氮（N）更重的元素的主要來源。³⁴S之前的元素是通過核聚變產生的，³⁶Ar到⁵⁶Ni之間的元素是硅（Si）燃燒過程中產生的，比鐵（Fe）重的元素是通過快中子捕獲過程產生的。超新星是R-過程最有可能的（雖然并非毫無爭議）候選地點。R-過程是創造富含中子、且比鐵重的元素的一系列核聚變反應，通常發生在核心塌縮的超新星、或合并的雙中子星中。R-過程產生約一半以上比鐵重的元素，包括钚（Pu）和鈾（U）等。| 圖片來源：X-射線：NASA/CXC/Rutgers/J.Hughes；可見光：NASA/STScI

直到一年前，還沒有人知道珠寶中的金從哪里來，現在我們知道它來源于雙中子星的合并。

○  形成金的兩種途徑。| 圖片來源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

現在，不確定性的烏云最密集地懸掛在中間元素上方，比如錫（Sn）、鉬（Mo）和砷（As）。那些不是為恒星提供能量來源的關鍵元素，或者那些不是在極端的爆炸中產生的元素，可能是在許多不同地方少量產生的。所以，要找到它們正在形成的起源地非常困難。

Jennifer和Inese憑著最好的猜測為這些元素涂色，但是，只有利用光譜儀收集的龐大的數據集，并結合蓋亞衛星收集的成千上萬顆恒星的數據，我們才能夠破解這些元素周期表中既不簡單、也非極端的元素究竟是如何產生的。

參考鏈接：

[1] http://online.itp.ucsb.edu/online/milkyway_c08/

[2] https://www.americanscientist.org/article/a-chemical-history-of-the-universe

[3] https://briankoberlein.com/2014/04/23/hydrogen-helium-metal/

[4] https://www.quantamagazine.org/20170323-where-did-gold-come-from-neutron-stars-or-supernovas/

[5] https://www.sdss.org/press-releases/the-elements-of-life-mapped-across-the-milky-way-by-sdssapogee/

文章來源：原理

了解詳情：

http://4vshop.reezitop.com/wap/cxzs.html

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