恒星核聚變到鐵就停了，那些比鐵更重的元素是怎么產(chǎn)生的？

仰望星空時(shí)，我們或許不會(huì)想到，構(gòu)成地球、人體乃至身邊萬物的元素，大多來自恒星內(nèi)部的 “宇宙熔爐”。

恒星通過核聚變將輕元素轉(zhuǎn)化為重元素，比如氫聚變成氦、氦聚變成碳，這一過程持續(xù)數(shù)十億年，直到核心形成鐵元素時(shí)戛然而止。

可問題來了：金、銀、鈾等比鐵更重的元素，又是從哪里來的？要解開這個(gè)謎題，需要把目光投向恒星生命終結(jié)時(shí)的 “宇宙煙火”。

首先要明白，恒星核聚變?yōu)楹蔚借F就會(huì)停止。核聚變的本質(zhì)，是通過原子核碰撞結(jié)合成更重的原子核，并釋放能量 —— 這是恒星發(fā)光發(fā)熱的動(dòng)力來源。但原子核越重，聚變所需的能量就越高，釋放的能量卻越少。

當(dāng)聚變到鐵元素時(shí)，情況發(fā)生了逆轉(zhuǎn)：鐵的原子核穩(wěn)定性極高，要讓它繼續(xù)聚變，不僅無法釋放能量，反而需要吸收大量能量。此時(shí)恒星核心的能量無法支撐這種 “耗能” 反應(yīng)，核聚變便會(huì)驟然停止，這是宇宙規(guī)律為恒星設(shè)定的 “聚變終點(diǎn)”。

既然恒星正常核聚變無法產(chǎn)生比鐵更重的元素，那重元素的誕生，就只能依賴恒星生命末期的極端事件 —— 首當(dāng)其沖的便是 “超新星爆發(fā)”。

當(dāng)大質(zhì)量恒星（質(zhì)量超過 8 倍太陽）的核心充滿鐵元素后，核心失去能量支撐，會(huì)在引力作用下瞬間坍縮，形成密度極高的中子星或黑洞。坍縮過程中產(chǎn)生的巨大沖擊波，會(huì)以每秒數(shù)萬公里的速度向外擴(kuò)散，撞擊恒星外層的氣體和塵埃。

這一撞擊過程會(huì)創(chuàng)造出極端的高溫（可達(dá)數(shù)十億攝氏度）和高壓環(huán)境，打破原子核的穩(wěn)定狀態(tài)。在這種條件下，鐵原子核會(huì)與大量自由中子碰撞，不斷 “俘獲” 中子，形成比鐵更重的元素 —— 這一過程被稱為 “快中子俘獲”。

比如鐵俘獲中子后，會(huì)逐步轉(zhuǎn)化為鈷、鎳，再繼續(xù)俘獲中子，最終形成金、鉑等重金屬元素。超新星爆發(fā)時(shí)，這些新生成的重元素會(huì)隨著沖擊波被拋射到宇宙空間，成為構(gòu)建新天體的 “原材料”。

除了超新星爆發(fā)，“中子星合并” 是另一種產(chǎn)生重元素的關(guān)鍵機(jī)制。中子星是大質(zhì)量恒星坍縮后的產(chǎn)物，直徑僅 20 公里左右，質(zhì)量卻堪比太陽，其核心充滿了自由中子和致密的原子核。當(dāng)兩顆中子星在引力作用下相互繞轉(zhuǎn)并最終碰撞時(shí)，會(huì)釋放出比超新星爆發(fā)更劇烈的能量，同時(shí)拋射出大量中子和原子核。

在碰撞產(chǎn)生的極端環(huán)境中，原子核會(huì)瘋狂俘獲中子，形成大量重元素。2017 年，人類首次探測到雙中子星合并產(chǎn)生的引力波，并通過觀測證實(shí)，這次合并拋射出了約 10 倍地球質(zhì)量的黃金、鉑等重元素 —— 這一發(fā)現(xiàn)直接證明，中子星合并是宇宙中重元素的重要 “生產(chǎn)線”。據(jù)科學(xué)家估算，宇宙中約一半的重元素都來自這種極端天體事件。

還有一種相對溫和的重元素產(chǎn)生方式，叫做 “慢中子俘獲”，主要發(fā)生在衰老的紅巨星內(nèi)部。紅巨星是恒星演化到后期的形態(tài)，雖然核心核聚變已停止，但外層仍有少量能量活動(dòng)，能緩慢釋放中子。這些中子會(huì)與恒星外層的鐵等元素結(jié)合，逐步形成鍶、鋇等重元素。不過，這種方式產(chǎn)生的重元素?cái)?shù)量較少，且無法形成金、鈾等極重元素，只能作為超新星爆發(fā)和中子星合并的 “補(bǔ)充”。

從氫到鐵，是恒星的 “常規(guī)制造”；從鐵到更重的元素，是宇宙極端事件的 “限量定制”。正是這些跨越億萬年的恒星演化與宇宙事件，才為地球帶來了豐富的元素，讓生命得以誕生、文明得以發(fā)展。當(dāng)我們佩戴金飾、使用電子產(chǎn)品時(shí)，或許可以聯(lián)想到：這些物質(zhì)的原子，曾在超新星爆發(fā)的烈焰中淬煉，在中子星合并的碰撞中誕生，它們是宇宙送給人類的 “時(shí)空禮物”，也是宇宙演化的生動(dòng)見證。