本文是「天狼觀星者」第73篇原創文章
「 我們DNA裡的氮元素，我們牙齒裡的鈣元素，我們血液裡的鐵元素，還有我們吃掉的東西裡的碳元素，都是曾經大爆炸時的萬千星辰散落後組成的。我們每一個人都是星塵。」
從元素周期表說起
（元素周期表是所有已發現元素的大合照。其中43號鎝、61號鉕、從95到118號元素是人造元素，其餘92種元素都是自然元素。）
在特定的條件下，某個元素原子核中的質子數量可以發生變化，從而轉化成另一種元素。然而，這個轉化過程並不容易。一個原子核裡的質子和中子，是以強相互作用力互相結合在一起的，其能量稱為「核結合能」，核結合能與質子中子數量之商稱為「平均結合能」。平均結合能越大，意味著這個元素的原子核越穩定，越不容易發生轉化成其他元素。如果把全部元素的平均結合能標記在一張圖上，那麼可以畫出以下的平均結合能曲線。從低平均結合能的元素轉化到高平均結合能的元素時，核反應過程會損失質量、釋放能量；反之則需要吸收能量。從圖中可以看出，鐵原子核具有最高的平均結合能。這意味著比鐵輕的元素發生核聚變（如氫聚變為氦）、或比鐵重的元素發生核裂變（如鈾裂變為鋇和氪），都能夠釋放能量。反之，如果想要將鐵元素或其他高平均結合能的元素，轉化為更重的低平均結合能元素時（如生成金、銀等重金屬的過程），則需要外界提供能量。
在宇宙這個元素大工廠之中，上述核反應過程無時無刻不在進行著。宇宙從一開始最輕的氫、氦元素開始，通過不斷反應產生各種輕元素，並在衝破鐵元素的阻攔後，進一步合成各種重元素，最終構築起元素的高樓大廈。
氫和氦的搖籃：原初核合成
元素的誕生史最早要追溯到宇宙大爆炸時期。理論上，宇宙的初始狀態是一個溫度無限高、體積無限小的奇點。發生大爆炸之後，整個宇宙急劇膨脹、溫度快速下降。在這個充斥著狂暴能量的大熔爐裡，質子和中子等粒子逐漸產生。
大爆炸3分鐘之後，宇宙溫度下降到約9×10⁹K（0K=-273.15℃）。在這個溫度下，質子和中子不會因為溫度過高而被分解，但又有足夠高的溫度保持高速運動。此時，被稱為「原初核合成」的過程開始了。元素周期表中排名前兩位的元素——氫和氦，在這個時期誕生。
在原初核合成過程中，高速運動的質子和中子有概率互相碰撞，形成一個質子和一個中子的結合體，也就是氘（氫-2）原子核。此時的氘核並不穩定，它如果沒有繼續和其他質子、中子結合的話，很快就會分解回到質子和中子。部分氘核將繼續結合一個質子和一個中子（或兩個氚核發生聚變），生成包含兩個質子和兩個中子的氦（氦-4）原子核。在氦核裡，中子被強大的核力固定在了原子核中，因此氦核比較穩定，不再容易分解。
大爆炸20分鐘之後，宇宙溫度下降到無法讓質子和中子相結合的程度，原初核合成時期結束了。這個過程的主要產物是氦原子核；而未與中子結合的質子，本身就是氫原子核。在這短短17分鐘內中，誕生了宇宙中幾乎全部的氫和氦。直到現在為止，氫和氦仍佔宇宙原子總量的98%以上。氫和氦是元素大廈的地基，在它們的基礎上，其他元素在不同條件下陸續誕生。
輕元素的樂園：恆星核聚變
在宇宙誕生約5億年後，隨著引力作用的增強，由氫和氦構成的星際物質在宇宙各處聚集成團，無數的星系和天體胚胎在其中孕育。當天體胚胎的溫度升高到4×10⁶K以上時，核反應在其中重新被點燃，光芒衝破星際物質的遮掩照亮宇宙，一顆恆星誕生了。
一顆典型的恆星，在其生命的絕大多數時間內，重複著原初核反應的工作：將氫聚變成氦。由於氦的平均結合能高於氫，這個過程會釋放能量。太陽每秒鐘將約6億噸氫轉化為氦，在此過程中散發大量光和熱，為整個太陽系提供源源不斷的能量。恆星核聚變反應產生的輻射壓，與其自身的引力達到相對平衡，讓恆星在長時間內保持穩定燃燒的狀態。
然而，恆星質量就算再大，它的氫元素也不是無限的。隨著氫元素不斷被消耗，氫聚變將逐漸減少直到消失。為了提供足夠的輻射壓來對抗恆星自身引力，必須進一步將氫聚變的產物（氦）作為原料，開啟新一輪的核反應——氦聚變反應（又稱為氦燃燒）。由於氦聚變所需要對抗的原子核間的斥力大於氫聚變，因此氦聚變需要更高的粒子運動速度，也就是更高的環境溫度。為此，恆星將內部溫度提高到10⁸K以上，以開啟氦燃燒。與此同時，恆星的外層物質將向外膨脹，形成一顆紅巨星。不過這個過程對恆星的質量有一定要求：只有質量相當於0.5M⊙（M⊙=太陽質量）以上的恆星，才能點燃氦燃燒；那些更小質量的恆星，在消耗完氫元素後就熄滅了。
氦燃燒的過程就像氦原子核的「疊疊樂」：首先兩個氦核聚變成一個鈹-8原子核。鈹-8核並不穩定，要麼很快分解回兩個氦核，要麼再和一個氦核聚變成碳-12原子核。少量碳核繼續與氦核聚變成氧-16原子核。氦燃燒過程就此結束，主要產物是碳和氧。碳和氧都是構成有機物的核心元素，其中碳元素更是構成有機分子的「骨架」。地球上的每棵樹、每隻動物、每個人都含有碳和氧，它們都來源於早期恆星的氦燃燒過程。
隨著氦元素逐漸耗盡，那些沒有超過4M⊙的中等質量恆星將無法繼續提升內部溫度，其外層物質被吹散，僅留下一顆主要由碳和氧構成的白矮星；而超過4M⊙的恆星將繼續提升核心溫度至6×10⁸K以上，開啟碳燃燒和氧燃燒過程。碳燃燒和氧燃燒會生成鈉、鎂、矽、磷、硫等一系列元素。這些元素廣泛存在於地球的海水和礦石中，也是生命的必需元素。
在碳和氧元素也耗盡後，沒有超過9M⊙的大質量恆星將留下白矮星，或在爆發成超新星後化為灰燼；而超過9M⊙的超大質量恆星將升溫至2×10⁹K以上，進一步開啟矽燃燒過程。這個過程也是氦原子核的「疊疊樂」：從矽核開始，依次與氦核進行反應，生成硫、氬、鈣、鈦、鉻、鐵等元素。此時的超大質量恆星已膨脹成一顆紅超巨星，從外層到核心的溫度逐漸升高，在不同的溫度層分別進行著氫燃燒、氦燃燒、碳燃燒、氧燃燒和矽燃燒過程，仿佛一顆巨型洋蔥。
由於鐵原子核具有最大的平均結合能，無法進一步通過核聚變來產生新元素、釋放能量。在矽燃燒結束後，恆星再也找不到核聚變的原料了，這意味著它們的生命也走到了盡頭。這些恆星將很快爆發成超新星，並將大量核反應產物拋射到太空中，隨後坍縮成中子星或黑洞。
更多的輕元素：光裂變反應
細心的朋友會發現，在恆星氦燃燒和矽燃燒過程中，都是通過原有元素結合氦核來生成新的元素的。由於氦核有兩個質子，這必然導致兩個新元素的質子數相差2，夾在兩者中間的那個元素被「跳過」了。例如，矽燃燒過程生成了16號元素硫和18號元素氬，而沒有生成17號元素氯。
那麼這些被「跳過」的元素是怎樣誕生的呢？一種叫做「光裂變反應」的過程，是產生它們的重要途徑。
顧名思義，光裂變反應也是一種核裂變過程。它是由部分輕元素，在光子的作用下，通過核裂變，生成元素序號更小的輕元素的過程。由於光裂變反應生成元素的平均結合能比原料元素低，因此該過程需要吸收能量。光子的作用就是提供這個反應所需的能量。
一種典型的光裂變反應是5號元素硼的生成過程。硼是一種比較特殊的元素，作為輕元素，雖然它的元素序數比氦大，但它的平均結合能卻反常地比氦要低。因此氦燃燒過程無法直接生成硼。硼的一種典型的產生過程是，由碳-12原子核通過光裂變反應，生成硼-11原子核和氫核。
同理，一些輕元素也是由光裂變反應得到的。例如鋁元素和氯元素：
恆星核聚變過程和光裂變反應過程，合成了從2號元素氦開始、到26號元素鐵為止的多種輕元素。含有這些元素的氣體或塵埃，隨著恆星的死亡飄散到太空之中，成為孕育天體、產生生命的基礎原料。
超越鐵元素：超新星核合成
我們已經知道，鐵原子核具有最大的平均結合能。這意味著從鐵聚合成更重的元素的過程，必須在吸收能量的情況下才能進行。那麼哪裡可以找到足夠的能量呢？我們將目光投向那些即將死亡的恆星。
超大質量恆星的生命末期，在矽燃燒的作用下，恆星生成最後的核聚變產物——鐵元素，並在恆星的中心形成巨大的鐵核。隨著恆星核聚變反應難以為繼，輻射壓力再也無法對抗其自身的巨大引力。恆星的外層物質在自身引力的作用下，以高達數萬km/s的速度猛烈地撞向中心的鐵核。這個撞擊過程將釋放出巨大的能量，恆星因此爆發成超新星。恆星外層物質超高速撞向鐵核，就好比在粒子加速器中，用原子核轟擊鐵元素靶。在此過程中，巨大的動能提供核合成所需的能量，從而生成一系列比鐵更重的元素，如銅、砷、溴、氪等。
而與此同時，中心的鐵核會在超高溫度（4×10⁹K以上）環境下發生光裂變反應，向外放射大量中子。這些中子與向內坍縮的外層物質互相衝擊後，部分中子被外層物質的原子核俘獲。這些被俘獲的中子很快衰變為質子和電子，從而增加了原子核的質子數量，諸如銀、碲、氙等元素將在此過程中誕生。
超大質量恆星化為超新星後，其光輝將照亮整個星系，長達幾個月之久。其核心被巨大的引力壓縮成一顆中子星或黑洞。而在超新星核合成過程中誕生的元素，也會飄散到星際空間之中，成為形成新天體的原料。現在，這些元素廣泛地存在於地球的各種礦物中。
最後的重元素：中子星併合
科學家曾認為，超新星爆發能夠生成鐵之後的所有重元素。但隨著研究的深入，科學家越來越傾向認為，即使劇烈如超新星爆發這樣的過程，也無法提供生成部分重元素所需的超高能量。
2017年10月，全球各大天文臺聯合宣布了一項劃時代的發現：人類首次成功探測到兩顆中子星併合發出的引力波。同時還證實，利用中子星併合所產生的能量，足以將重元素的原子核聚合在一起，合成諸如金、氡、鈾這樣原子量更大的重元素。黃金作為人類千百年以來使用的硬通貨，竟然誕生自遙遠神秘的中子星，想來都讓人覺得不可思議。
目前已發現的元素序數最大的自然元素——94號元素鈽，也很有可能是在中子星併合過程中誕生的。而元素序數超過95號的超重元素（如鉲、鐨等）也有可能在此過程中產生，不過這些元素會很快衰變成其他比較穩定的元素，因此科學家暫時沒有在自然界中發現這些超重元素。
中子星併合可能是宇宙合成元素所能利用的最高能量源。雖然理論上來說，黑洞併合可以產生的能量更高，但黑洞併合後生成的物質會被悉數吸入黑洞之中，無法成為構築新天體的物質來源。
We are One, We are Universe.
我們從氫和氦開始，到鈽結束，一步步探索了元素的主要誕生過程。各種元素通過複雜的化學組合結合在一起，構成如今宇宙的模樣。
人類也是宇宙演化的產物。組成我們身體的每種元素，都源於上百億年前的早期宇宙演化過程。如果追根溯源，我們左手和右手上的氧原子、頭骨和脛骨裡的鈣原子、流淌在主動脈和毛細血管血液中的鐵原子，都分別從不同的恆星中誕生。
人類與宇宙的聯繫比想像中更加緊密。毫不誇張地說，在每個小小的人類個體之中，都匯集了宇宙中千千萬萬顆恆星的核反應產物。我們每個人都是星塵，而宇宙的歷史，就書寫在我們的身體之中。