恒星核聚变到铁元素就停了，那些比铁更重的元素是怎么来的？

迄今为止，科学家们已经揭示了118种元素的存在，这当中有92种元素在自然界中自行产生，而剩余的26种元素则是人类智慧的产物——合成元素。

回想中学时期，化学课上的元素周期表学习，我们那时几乎倒背如流（虽然可能如今早已遗忘），你是否好奇过，这些元素究竟是如何诞生的呢？

故事要从宇宙的起点——大爆炸说起。爆炸发生伊始，宇宙空无一物，只有能量的海洋，宛如一个炽热的“能量汤”。随着宇宙的膨胀，温度逐渐降低，亚原子粒子开始崭露头角。大约在38万年这个节点，出现了原子核的身影，继而形成了原子，物质世界从此展开序幕。

早期宇宙的构成非常单纯，几乎全由氢和氦这两种元素组成，其他更重的元素寥寥无几。事实上，直至今日，氢和氦仍主宰着宇宙的大部分。那么，这些更重的元素是如何崭露头角的呢？

这要归功于恒星——元素生成的“炼丹炉”。

以太阳为例，它主要由氢构成，核心温度高达1500万摄氏度。在这个温度下，原子核外的电子挣脱了原子核的束缚，与质子、光子等粒子混合在一起，形成了等离子体。

理论上，要进行核聚变需要巨大的能量输入，比如人类制造氢弹就需要一亿摄氏度的高温。然而太阳核心的温度虽不足以引发核聚变，但量子力学的微观世界异于宏观世界，这里常有“量子隧穿”现象发生。

宏观世界的例子或许可以帮助理解量子隧穿：想象你面前有5米高的墙，一般情况你无法翻越，但在量子世界，你有几率无需任何外力便能穿越墙体。对于太阳而言，尽管温度未达标，核聚变仍有可能发生，尽管概率极低。但由于太阳巨大的质量与无数氢原子核的数量，核聚变的发生只是时间问题，且过程相对较慢，这也解释了太阳不会像氢弹那样瞬间爆炸，而是逐步进行核聚变。

在核聚变过程中，氢原子核结合成氦原子核，并释放出能量。如果恒星质量足够大，核聚变会持续进行，生成更重的元素，如碳、氧，甚至铁。

但为何到铁元素生成后，核聚变就停下了呢？这涉及到两个概念：结合能和比结合能。

当质子与中子结合形成原子核时，要将其分离需要能量，这就是结合能。原子核内核子越多，结合能就越大，也就越难将其分解。比结合能则是结合能与核子数的比值，代表结合能的平均值。比结合能越大，原子核就越稳定。铁元素具有最高的比结合能（尽管镍-62的比结合能更高，但它最终会衰变成铁）。

由于铁元素的比结合能极高，因此轻于铁的元素在核聚变过程中会释放能量。虽然理论上重于铁的元素也可进行核聚变，但这个过程不释放反而吸收巨大能量，一般的恒星无法提供这样的条件。

因此，尽管理论上重元素的核聚变是可能的，但由于这一过程需要吸收能量而非释放能量，使得这类“恒星”不再符合传统定义。而当核聚变过程转为吸收能量时，它便无法再持续下去了。

众所周知，太阳之所以能够持续照耀宇宙数十亿年，归功于两股力量的微妙平衡：核聚变释放的巨大能量形成了向外的推力，而太阳的质量产生的向内的引力相互抗衡。这两股力的奇妙相持，使得太阳得以源源不断地发光发热，且这种状态还将持续，至少在未来数十亿年间。

然而，一旦核聚变停止释放能量，向外的推力消失，引力将占据上风，破坏了原有的力量平衡。太阳的内核将开始急速坍缩，这实际上是恒星走向终结的序幕。

在恒星生命的终点，它会演变成何物？质量较小的恒星，例如我们的太阳，将会退化为白矮星。而那些质量更大的恒星，则会坍缩为中子星，甚至直接成为黑洞。

在恒星坍缩为中子星或黑洞的过程中，铁元素在极端条件下继续核聚变，孕育出新的重元素。当大质量恒星耗尽了燃料，它会在引力的主导下急剧内缩，周围的物质以极高的速度撞击核心，为铁元素注入巨大的能量，促使其聚变为更重的元素。

这便是重元素形成的一种途径（实际上，还有其它方式）。在撞击铁核的那一瞬间，产生的巨大反作用力将把恒星的外层物质以极快的速度抛射到广阔的星际空间中，形成壮观的超新星爆发。这一瞬间释放出的能量，比太阳整个生命周期所释放的能量总和还要多出百倍。

被抛洒至星际空间的物质，将成为下一轮恒星及行星形成的“原料”，宇宙正是通过这样的循环，不断创造与重塑。

除了超新星爆发，还有中子星的碰撞与合并这一形成重元素的方式。恒星终结后，会根据质量形成白矮星、中子星或黑洞。特别是那些处在1.44到3倍太阳质量之间的恒星，死亡后多半会形成中子星，而那些质量更大的星体则走向黑洞。

科学家们通过观察发现，宇宙中的中子星数量众多，许多时候它们会互相绕转，在某些情况下，这些中子星可能会发生剧烈的碰撞，这是继宇宙大爆炸之后最惊人的宇宙事件。这种碰撞瞬间释放的能量，足以融合出更重的元素。

实际上，我们今天所见的比铁更重的元素，大多数源自中子星的碰撞和合并。例如，我们佩戴的金银首饰，其源头便是中子星的激烈撞击。我们应感激这些宇宙中强烈的自然过程，它们创造出了我们如今所见的这个丰富多彩的世界。

综上所述，氢和氦这两种轻元素形成于宇宙大爆炸后的早期阶段。那些比铁轻的元素，是在像太阳这样的恒星主序阶段通过核聚变产生的。而比铁更重的元素，则源自大质量恒星死亡时的超新星爆发和中子星的碰撞合并。