超新星爆發不僅是恆星演化和拋灑元素的過程它還有一個重要的作用

除了氫元素和氦元素之外，其他元素是怎麼產生的？

在剖析這個問題之前，先解釋一下「B²FH」這個字樣的含義。

「B²FH」實際上是對大爆炸理論的一種補充

「 阿爾法」、「貝特」和「伽莫夫」這三個人一起發表了一篇關於證明宇宙裡的元素是可以通過原初核合成產生的文章，但是有一個人對這篇文章始終保持著非常強烈的反對態度，就是「B²FH」裡面的其中一位。「B²FH」是4位物理學家字母的組合，B²是「伯比奇夫婦」，F是「福勒」，H是「霍伊爾」，這4位在元素的合成尤其是恆星內部的元素合成裡面做出了重大的貢獻，其中裡面的靈魂人物是霍伊爾。

「大爆炸理論」，這個詞已經耳熟能詳了，其實「大爆炸」這個三個字就是由霍伊爾首先提出來，當時他是帶著一種諷刺的態度去「大爆炸」這個理論的，霍伊爾為了去尋找證據來說明宇宙的原初核合成不可能產生我們今天看到的所有元素，所以他們就去研究在恆星內部所發生的物理過程。

1957年，「B²FH」這4位物理學家發表了一篇劃時代的論文，論文主要講述的是在恆星內部各種元素是怎麼產生的，所以霍伊爾的本意是想用恆星內部的的核合成來否定大爆炸理論，但恰恰是相反的，研究的結果並沒有否定大爆炸理論，反而為大爆炸理論提供了一個更加堅實的物理基礎，「B²FH」這篇文章所表達的實際上是對大爆炸理論的一種補充。

「B²FH」研究的是在不同質量的恆星內部元素聚變的反應是如何進行的，從氫和氦的形成之後，這些輕的元素在恆星的內部如果處於高溫、高壓的狀態，它們就有可能會成為更重的元素，一開始是從氫的核反應開始的，這個階段稱為「主序階段」，當恆星核心的氫燒光了之後，此時恆星的核心就會遺留下一個氦原子核所構成的恆星核，這個氦原子核所構成的核心會因為收縮而不斷地升溫，結果氦原子核又會生成更重的碳原子核，所以這樣的過程可能會一直持續下去，但是有一個前提條件就是溫度和壓強了必須足夠高，達到它能夠產生核反應所需要的條件。

圖解：「主序階段」

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除了氫元素和氦元素之外，其他元素是怎麼產生的？

其中最重要的一個因素就是恆星的質量，恆星的質量分成兩類：

• 第1類：「中小質量的恆星」，這類恆星的質量在太陽質量的8倍之下。
• 第2類：「大質量的恆星」，這類恆星的質量在太陽質量的8倍之上。

中小質量的恆星當它通過氫的聚變生成氦，再通過氦的聚變生成碳之後，它就不再進行新的、更加深入的核反應了，因為對於它們來講，碳的燃燒永遠也不可能完成。

大質量的恆星的核反應可以一直地持續下去，由於核反應總是在恆星最熱的、最內部的區域來進行的，所以核反應依次進行的結果是恆星變成了一個像洋蔥一樣的結構，越往中心越重的元素就在那裡生成，當一個大質量恆星完成它所有的核反應的時候，從裡到外會依次分布著鐵、矽、氧、碳、氦、氫，層，所以恆星就產生了這麼特殊的結構，這個結構實際上是由於內部不斷地核聚變所造成的。

圖解：恆星內部的核合成

元素是分布在星際空間的？

這就需要通過一種方式把它生成的這些元素流失到周圍的星際空間裡面去：

• 中小質量的恆星

當它的核心氫燃燒結束之後會膨脹變成一個紅色的巨星，它的體積會比原來增大很多倍，對於一個紅色的巨星它往往有很強烈的「星風」，也就是物質流失的過程，特別是到了晚年的時候，它的物質流失會變得更加的嚴重。

舉例說明：

荷蘭著名的畫家「梵谷」有一幅名作《星夜》，在這幅畫裡面梵谷畫了在一個村莊的天空裡面，漂浮著11個環形的星雲，這幅畫完全是屬於梵谷的想像，但是這樣的景象跟恆星在快死亡時所觀測到的現象有異曲同工的特點，「麒麟座V838」在它接近死亡的時候，它周圍會包裹著氣殼，氣殼實際上是從恆星裡面吹出來的氣體。

圖解：右邊是「麒麟座V838」

當恆星進入到臨近死亡的時候，它的表層急劇地膨脹導致了大量的氣體流向了星際空間，產生了能夠看到的形態各異的行星狀星雲，這些星雲裡面其實就包含通過它內部的核反應所生成的各種元素，比如說碳元素，所以我們身體裡面的碳就是通過前面一代或者說幾代恆星不斷地核合成，再通過各種方式流到星際空間裡面，最終又通過某種途徑形成了我們今天的太陽系和地球裡面的一部分。

圖解：行星狀星雲

• 大質量的恆星

它內部的核反應可以一直進行到鐵原子核的形成，為什麼鐵不能夠繼續地進行核聚，這是鐵原子核有一個特點，就是它的結合能是最高的，它反映了一個原子核的穩定的程度，一個原子核越穩定它就越不容易通過碰撞、通過聚變、裂變的方式變成其他的子核，鐵原子核在所有的原子核裡面具有最高的結合能，所以那些比它小的原子核可以通過聚變反應生成鐵，但是鐵卻不能通過聚變反應生成更重的元素，因此在鐵形成之後實際上大質量恆星的生命就已經臨近結束了，因為這時候恆星沒有新的能源了，所以鐵核在引力的作用下就開始收縮甚至坍縮，近似的以自由落體的方式下落。

鐵原子核在非常高的溫度下面也沒辦法進行核反應，但是高溫就意味著在它周圍的環境裡面有著大量高能的光子，這些個光子和鐵原子核不斷地發生碰撞，由於光子的能量太高了鐵原子核被打碎了，分裂成更小的原子核變成了氦原子核，但即使是氦原子核在那麼高的溫度下面也不能倖免，所以光子會繼續地轟擊氦原子核，導致了氦原子核繼續地分裂，最後變成了質子和中子，在這個環境裡面還充滿了大量的電子，質子和電子會通過相互碰撞產生中子，所以鐵原子核最終分裂成質子和中子的過程裡面伴隨著的是質子和電子生成中子的過程，大量的中子就是因為這樣的原因形成了。

而中子和電子都費米子，它們都 遵循泡利不相容原理，所以中子也會產生簡併壓強，並且中子的簡併壓強遠遠地高於電子的簡併壓強，於是在鐵核坍縮最終會產生一個中子星，中子星的結構其實就來自於鐵核的坍縮。中子星裡面物質的密度比白矮星要高10萬倍左右，所以它的體積更小，直徑在20公裡左右，但是它的質量可以和太陽相當，所以在這麼大的質量、這麼小的直徑情況下它的密度至少是水的百萬億倍。

在大質量恆星的核心出現了幾乎完全由中子構成的結構之後，恆星的外表層繼續下落的過程裡面，當物質撞擊在中子星的表面就會產生巨大的能量釋放，會導致整個表層的反彈，而且恆星在這個時候有兩個特殊的過程同時在進行著，一方面是恆星的核在坍縮，另一方面是物質在下落的過程裡面和核的碰撞又會導致外表層的膨脹，這種膨脹是以非常高的速度來進行的，這就是所謂的「超新星爆發現象」。

核的坍縮導致恆星整體向外面劇烈地膨脹，膨脹會產生兩個遺骸：

• 遺骸一：外面氣體和周圍空間裡面的物質相互撞擊所產生的「超新星遺蹟」，也就是一團看上去像環狀的氣體或者說氣殼。

圖解：超新星遺蹟——蝴蝶狀星雲

• 遺骸二：核坍縮變成一個極端緻密的中子星，這就是超新星爆發的產物。

圖解：核坍縮變成一個極端緻密的中子星

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（黃姤）總結：恆星演化的結局

所有的恆星都起源於星際雲的坍縮，但是它們初始質量是不一樣的，中小恆星在演化的過程裡面會經歷紅巨星，最終會導致行星狀星雲和白矮星的誕生，而大質量恆星它們可能會變成超巨星，最後是以劇烈的超新星爆發的方式來結束生命，所以一方面絕大部分恆星的物質變成了瀰漫到星際空間的氣體，另一方面它的核坍縮變成了一個緻密天體。

如果恆星的初始質量特別大的話，甚至當一顆中子星形成之後，它的簡併壓力也不會支撐住它，引力最終會可能會使它繼續地發生坍縮，最終就會遺留下一個黑洞，因此把白矮星、中子星、黑洞把這三類天體都稱為「緻密天體」，緻密天體是所有恆星將來的歸宿，而我們的太陽在經歷了紅巨星和行星狀星雲之後，最後會變成一顆白矮星。

超新星爆發本身不僅僅是恆星演化和進行拋灑元素的過程，它還有一個非常重要的作用，就是它會觸發下一代恆星的形成，恆星的形成是從星際雲的坍縮開始的，星際雲會發生坍縮引力是佔主導地位的，但是它往往需要一個外界的擾動，而這個擾動實際上是由上一代的大質量恆星死亡所導致的。

超新星爆發所產生的激波會掃過周圍的氣體雲，氣體雲受到劇烈的擾動之後，在引力的作用下會坍縮變成新生的恆星，太陽系是由於附近的某一顆超新星爆發所導致的。

在恆星形成之後，它的內部又會進行新的核聚變反應，當它逐漸地年老，它又會以各種方式把它產生的那些元素繼續地向周圍的星際空間拋灑，所以星際空間的元素豐度會隨著時間的推移不斷地增加，形成越晚的恆星，它所誕生的原料裡面重元素的豐度就會越高，這樣就構成了一個恆星的生命循環，越早形成的恆星重元素越少，越晚形成的恆星重元素就越多，地球是之所以有那麼多的鐵、鈣、鎂等這些重元素，事實上也正是因為前幾代甚至幾十代恆星不斷循環所導致的結果，所以從這個角度來看，正如莊子所言：

「天地與我並生，而萬物與我為一。」

圖解：恆星演化

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【作者：黃姤】

【編輯：黃媂】

【旁述：餘生】

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