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1957年,一篇长达108页的论文问世。论文详细探讨了元素是如何在恒星生命周期的不同阶段形成的,解释了氢转化为氦的核合成过程,并扩展到了碳、氧、硅、硫、氩、钙直到铁等重元素的生成。它告诉我们,我们生活的这个世界中的许多元素都诞生于恒星中。正如卡尔·萨根所说,“宇宙就在我们的身体中,我们都是星尘”。
这篇题为《恒星中的元素合成》的论文成了化学元素的宇宙起源的奠基性研究,人们常以四位论文作者(伯比奇夫妇、福勒与霍伊尔)的姓氏开头字母将它简称为B²FH。这四位科学家还证明了,超新星爆发时的快中子捕获过程创造了比铁更重的元素,从而将恒星的组成进一步扩展到金、铂和铀等元素。
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这篇开创性的论文经常被称为B²FH,图中显示了在恒星中的元素合成的核过程。| 图片来源:E. M. Burbidge et al. / Reviews of Modern Physics Vol. 29, No. 4, P. 547 (1957) / American Physical Society
简单来说,宇宙中所有氢元素都是从宇宙大爆炸中产生的。大爆炸同样制造了氦和少量锂。这些就是恒星制作“元素料理”的“原材料”。恒星可以被想象成一个巨大的“高压锅”,新的元素在其中不断生成。创造这些元素的反应也提供了能量,使恒星能在数十亿年内发光发热。随着恒星年龄的增长,它们的内部温度不断升高,随之产生越来越重的元素。(更多有关元素的宇宙起源介绍,详见《来自________的你》以及《1、2、3……118》。)
质量决定了哪些元素会被锻造出来,在每颗恒星生命的最后时刻,这些元素会被释放到星系中。比如,如果是质量非常大的恒星,元素可能会被爆炸性地释出,如果是和太阳质量差不多的恒星,这些元素则会密集地流出,类似太阳风那样。
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这张元素周期表展现了元素的宇宙起源,不同色块的面积代表不同起源所占的比例。| 图片设计:雯雯子;参考素材:NASA
随着人们对元素的宇宙起源的认识,一张多彩的元素周期表逐步完善。但近期的一项新研究似乎有意改写这份结果。在一项发表于《天体物理学期刊》的研究对宇宙演化模型提出了新挑战。新研究还生成了一张看起来不一样的“新版本”元素周期表,更详细展示了从碳到铀等自然形成的元素的恒星起源。
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新的研究首次根据第一性原理计算出了从碳到铀的所有自然元素的恒星起源。研究人员利用到了理论上的核合成产量以及所有化学富集来源的事件概率,并在先前研究的基础上改进,更详细地计算了恒星质量、年龄和排列在元素形成中的相对作用。
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