【元素家族——連載129】鐵——恆星熔爐的終點

我們的故事似乎回到地球上太久，在氧、氖之後，就幾乎沒怎麼提到元素如何在太空中形成，這回我們將目光重新投向深不可測的太空。

其實，之所以這麼多期沒提，無外乎是因為在恆星內部還是繼續那樣的核聚變反應，一個原子核再加上氫核或者氦核，變成更大的核。需要注意的是，在宇宙尺度下，奇數原子序數的元素丰度比偶數的要少，對此的解釋是，偶數原子序數的原子核的自旋是成雙成對的，達到平衡，因此更加穩定。

【元素丰度曲線，除了奇偶性差異，還能看出，鐵之前的元素丰度很明顯的大於「超鐵元素」。】

各種各樣的恆星內部就好比元素的熔爐，無時無刻不在發生著千奇百怪的核反應，所不同的是它們的速度和終點不同。

那些比太陽質量的一半還小的恆星的終點是氦，內部無法聚合形成更高的元素了。最終，它們在寂寥的宇宙中留下一個氦為主的核，慢慢冷卻揮發掉。而它的核反應速度極其慢，有些小的甚至比宇宙的年齡還長，這是恆星界的「億年龜」。

【距離我們最近的恆星：比鄰星，就是這樣一顆「億年龜」，只有0.13個太陽質量，壽命會超級長。】

跟太陽質量差不多的恆星，終點極大有可能是碳和氧。太陽老年的時候，它的外層對外膨脹，變成一顆紅巨星大胖子，我們的地球也會被它吞噬掉。最終，它會將外層氣體噴射出去，生成行星狀星雲，中間剩下一顆由碳和氧組成的白矮星，前面我們提過的「鑽石星球」就是這樣來的。鑽石只不過是噱頭，這種白矮星中的物質形態和我們常見的氣液固態都不一樣，由於壓力太大，原子和原子之間被擠壓的密不透風，電子云都被擠壓變形，原子核與原子核靠在一起，密度非常大，我們把這種物質形態稱為「超固態」。

【太陽的成長史，最終會形成行星狀星雲，中央留下一顆白矮星。屆時我們可以去開採「鑽石」，只不過是超固態的。】

【天狼星的伴星就是一顆白矮星，不是中間亮的那一大塊，而是箭頭所指的小不點。】

而當一顆恆星的質量達到太陽的7-10倍，它就可以位列恆星世界裡的「高富帥」了，它可以繼續核聚變，先是「碳燃燒」，將氖和鎂 「烤出爐」，外圍膨脹的更大，成為一顆「超巨星」！而內部形成一個氧、氖、鎂（少量硅）的內核，當這個內核質量超過1.44個太陽質量（錢德拉塞卡極限）的時候，「超固態」的壓力也「超標爆表」了，電子再也無路可逃，被壓入了原子核，跟質子結合生成中子。

這時候，內核的物質變得更加奇怪了，沒有電子，也沒有質子，而只剩下中子，中子和中子之間靠強相互作用緊密連接在一起，這就是中子態，密度比超固態還大很多倍，一立方厘米的中子態物質竟然重達1億噸。《三體》中三體文明的「水滴」就是這種物質。

在變成中子態的這一瞬間，恆星發生強烈的引力坍縮，釋放出的能量會將外層物質強烈噴射出去，這就是「超新星爆炸」。

【想像中的「水滴」。】

而當一顆恆星質量超過太陽的10倍，那真是高富帥中的「霸主」。它的質量足夠大，內部壓力和溫度足夠高，可以啟動「氖燃燒」和「氧燃燒」，生成鎂、硅、磷、硫。在這之後，其內核溫度達到30億度，足夠繼續發生「硅燃燒」反應，逐步生成硫、氬、鈣、鈦、鉻、鐵等元素，但這首偉岸的舞曲在鐵這裡終於划上了一個休止符，無法再進行下去了。

原來，原子核由質子、中子這些核子結合而成，其中那麼多帶正電的質子擠在一起，相互之間的電磁力竟然沒讓它們分離，是因為核子之間存在強相互作用（強力），將它們牢牢的拉在一起。如果要把核子們分開，那當然需要很大的能量，我們把分開核子需要的能量叫做結合能。結合能除以核子數叫做「比結合能」，比結合能越大，原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩定。正巧，比結合能最大的原子核就是鐵56。也就是說，100多種元素，理論上可以存在的同位素原子核有上千種，而在所有的原子核里，最穩定的就是鐵56。

【比結合能曲線，在鐵56處達到峰值。】

在大恆星內部，輕的元素不斷聚變，一直到聚合成鐵原子核，都在釋放能量。而如果要再往鐵原子核里「塞」核子，由於塞進去以後，新的原子核就不如鐵原子核穩定了，需要吸收能量，根據能量最低原理，這種核反應發生的可能性太小了。

當然，現在也有科學家提出，在二代、三代超級大恆星的內部，由於質量足夠大，溫度足夠高，加上已有一些重元素，因此也可能會發生一些生成「超鐵元素」的核反應，這被稱為「S-過程」（慢過程）。從名字就知道這種核反應是極其緩慢的，而且最高也只能生成到82號元素——鉛。

【左上角，紅巨星內部的圈層結構，其最中心是一個鐵鎳核心。】

因此，「霸主恆星」的終極結局是一個「洋蔥」似的內核，而最中央就是一個鐵核！在這個內核質量超過3個太陽質量的時候，其內部超級巨大的壓力會讓中子態也支撐不住，最強大的超新星爆炸將外圍氣體噴射到宇宙空間之中，而內部則變成一種人們無法理解的物質形態，其強大的引力會讓光線都無法逃逸，這就是「黑洞」！

總結一下，在超級大恆星的內部，是這樣一個流程：輕元素——鐵——中子星或黑洞。恆星這座超大的元素熔爐，在鐵這裡達到了終點，鐵之後的中子星或黑洞已經超越化學元素的範疇了。

【影片《星際穿越》中的黑洞形象，被譽為電影中最接近實際運算的黑洞。】

那麼問題來了，既然鐵是終點，那麼我們地球上常見的「超鐵元素」是怎麼來的呢？比如我們穿金戴銀，手上戴的白金戒指都是從哪裡來的呢？更不用說原子彈的原料：鈾（92號）和鈈（94號）呢？

一方面來自我們提到的S過程。

更多的則來自超新星爆炸或雙中子星合併，這些宇宙中的超級爆炸產生了不可計數的中子，輕的原子核吸收這些中子流以後，、很少的質子配上幾十個甚至一百多個中子結合成不穩定的富中子原子核，很快就發生β衰變，中子蛻變成質子，變成一個較穩定的超鐵元素原子核，釋放出中微子，這被稱為「r-過程」。這一點已經被中微子探測器所證實，大多數「超鐵元素」都是這樣誕生的，因此，家藏金磚的貪官和搶購黃金的大媽們都得感謝超新星爆炸或雙中子星合併。

【大麥哲倫星雲內的超新星爆發的遺迹。】

從今天開始，我們要講的故事主角都來自超新星爆炸或雙中子星合併，爆炸之後，更加精彩！

【一張圖讓你看懂恆星演化史，英語不懂的來問我哦。】