我們知道元素來自恒星，質量越大的恒星其核聚變也劇烈，能生成更重的元素。那說起比鐵更重的元素形成，我們就要尋找宇宙中質量最大的恒星，今天我們就說下，超新星爆發和中子星合并是如何形成比鐵更重的元素？

宇宙中那些壽命最短、最亮、最藍恒星，不但制造着比锂更重的元素，而且也是我們對那些特别重的元素尋本溯源之處。這些恒星天生又熱又亮，質量也大，不僅包括全部O型星，也包括B型星中質量最大的那部分。像所有質量的恒星一樣，在這些恒星的核心區内，最開始發生的也是氫聚變為氦的活動。

由于質量太大，它們消耗反應材料的速度和數量都很驚人，如已知質量最大的 O型恒星R136a1（這個編号是它2010年被發現時賦予的），其質量為太陽的265倍，發光能力為太陽的870萬倍，表面溫度亦達約53000 攝氏度，是太陽的8倍，因此其壽命會短到僅有100萬至200萬年，它會像那些比它輕些的恒星一樣，很快耗盡自己核心裡的氫，到那時，它剩餘的氫将在其核心區的外層繼續“燃燒”，導緻星體更外層的物質膨脹為特大号的紅巨星甚至藍超巨星，同時，其内核會冷卻并坍縮，開始将氦聚變為碳。

說到這裡，好像這些大質量恒星的行為與類太陽恒星并沒有太大差别，但其實有一個重要差别在于：它們的壽命短些，所以死亡進程快些。其消耗氫的階段僅有幾十萬到一百萬年，然後跟其他恒星類似，其核心逐漸被碳、氧，以及氖、鎂、矽等元素幾乎填滿。其核心中最深的部分将因缺乏氦而坍縮，剩下的氦則在核心的外層繼續反應，而氫位于更外層。

這時，星體的大質量提供的極高溫度使得碳聚變開始發生。與氫的聚變可以持續數百萬年，氦的聚變可以持續數十萬年相比，碳聚變的速率更快一些，并使核心區變得更加緻密，進而依次開始以氖、鎂，最終是矽作為聚變材料。這樣，星體會形成一種類似洋蔥的結構，越靠裡的層次，消耗的就是越重的元素，當然溫度也就越高。

由于越重、越熱的恒星消耗反應材料越快、壽命越短，它生成越來越重的元素的進程也會因需要越來越高的溫度而變得越發迅速。相對于碳聚變的階段可能持續一千年左右，矽聚變的階段隻會持續數分鐘，它把星體最中心處的元素變成了鐵、鎳和钴——這三種原子可是宇宙中最穩定的。到這裡為止，我們談論的每種核融合反應的産物，都來自反應參與物的原子核之間更為緊密的結合，其反應過程也都是釋放能量的過程。

注意，從鐵開始，理論上也還存在産生更重元素的反應，但是，此後的反應産物，其材料元素之間的結合就不如此前的那麼緊密了，因此鐵的聚變以及此後更重的聚變都不再是釋放能量的過程了，而是要吸收能量。所以，當大質量恒星的核心已經由鐵、鎳和钴構築起來時，乍一想它會變得僵化和凝滞，不再繼續發生反應。

但實際上此時星體的核心區還是有足夠能量去支持鐵元素的聚變，隻不過這些進一步的反應會讓星體付出慘痛的代價。鐵開始聚變後，星體核心的溫度會迅猛下降，導緻環境壓力減弱，進而讓核心物質在自身重力的作用下坍縮。這将導緻反應鍊失控，并最終走向災變——核心越坍縮，鐵聚變率越高，壓力下降就越快，核心就更快地坍縮……隻消幾秒鐘的時間，星體核心就會縮小到物質所能被壓縮的極限，此時以下幾個情況會同時爆發：

• 失控的核反應在制造出大量重元素的同時，也生成了許多自由中子（以及中微子）。

• 星核的外層會在已經最小化的核心周圍“彈動”，将許多能量傳遞至星體的更外層。

• 大量能量的突然到來，既令外層的核聚變加快，也令外層物質本身振動，而這正是超新星爆發事件的第一個階段！

災變的結果，就是星體最核心的區域在崩潰和衰敗狀态中終結。當然核心也會殘存下來：如果恒星質量不是很大，它可能變成中子星——那是一個直徑僅約10千米，重量卻跟太陽差不多的固體星球，完全由中子構成；如果質量很大的話，則殘骸将是一個黑洞！

但是，剩下的那些包含着從氫直到鐵、鎳、钴等各種元素的外層物質會怎麼樣呢?

首先，它們會經曆劇烈的反應過程，生成周期表上的許多種中間元素。但是，在超新星爆發期間，它們會遇到規模前所未有的“中子雨”的“轟炸”，所以許多中間元素的重量還會繼續迅速攀升，移到周期表中更加靠後的位置。這一發生在超新星爆發時的過程叫作“r過程” （r即“快”，該過程全稱為“快中子捕獲過程”），它可以産生出地球上能見到但此前我們沒提到過的所有種類的天然元素，其中最重的可以是鈾、钚乃至锔。

它甚至還能産生某些我們隻在實驗室裡造出來過的元素！比起行星狀星雲，超新星遺迹能把大部分物質歸還給宇宙，用于形成下一代的恒星，後者的成分表裡将會擁有許多很重的元素。而中子星的合并所釋放的高能中子，也會發生快中子捕獲過程，形成元素周期表中所有的重元素。

每當一個新的星團誕生時，其中會有略多于千分之一的成員星最終能變成上述的超新星。作為宇宙中質量最大的一類單個星體，它們承擔着光榮的任務，那就是為星際物質增添比碳更重的各種元素。在我們的太陽系誕生之前，已經有許多代恒星誕生然後毀滅了，是它們為我們這個世界提供了足夠多的重元素。

此時，也還有新的恒星準備誕生，這些未來的恒星将比太陽更加富含各種重元素。想一下你的身體系統，其中從肌肉裡的碳到肺葉中的氧，從骨骼裡的鈣到血液裡的鐵，你所用以生存的每一種較重的元素，都來自那些已經以超新星的劇烈形式宣告終結的恒星。這些原子都在超新星爆發後被抛向宇宙空間，然後參與了新一代恒星的構建。

經過持續幾十億年的、來自數十億顆死亡恒星的積累，太陽和屬于它的行星系統才得以問世。如果沒有較輕的原子，沒有恒星内部發生的各種核反應，如今宇宙中的各種重元素就沒有原始材料和生成機制。我們已經真切地認識到，當今人類世界的一切，都是此前默默發生的無數這類事件的結果。

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