宇宙大爆炸

不知道你有沒有想過一個問題，那就是元素到底是從哪裡來的？

要知道，我們身體內的元素大部分都是宇宙誕生之初沒有。元素的由來是和整個宇宙的演化息息相關的，其中就包括恆星的演化等等。

要了解元素，恆星這一系列的問題，實際上我們要從宇宙大爆炸說起。

按照如今的主流理論，我們知道宇宙誕生於138億年前的一次大爆炸。大爆炸之後，宇宙中其實沒有像如今這樣的原子結構，而是一片混沌狀態，其中主要遍佈著高能電磁波。

此時的宇宙溫度極其高，隨著宇宙的膨脹，溫度逐漸下降，隨後各種粒子出現，再湮滅，每10億對正反粒子湮滅都會留下一個正粒子，所以我們才是處在一個正粒子構成的宇宙，目前我們還不知道為什麼會這樣。

宇宙大爆炸之後的38萬年，宇宙的溫度下降到3000開爾文左右，原子結構開始形成。一開始，宇宙的元素主要就是氫元素和氦元素，這是元素週期表最靠前的兩個元素。

也不是說沒有形成其他元素，只是因為其他元素不穩定，會裂變回到氦元素。即便到了現在，宇宙中可見物質當中，氫元素和氦元素的佔比都高達99%以上。

而我們要知道的是我們的體內還有許多其他不同的粒子，那他們是咋來的呢？

恆星：元素煉丹爐

大概在宇宙大爆炸之後的2億年，宇宙中開始出現一些奇怪的大傢伙，它們是星雲在引力的作用下逐漸形成的。如今，我們管這些天體叫做恆星。恆星和其他天體最大的區別在於它能夠發生核聚變反應。那為什麼只有它可以發生核聚變反應呢？

這是因為恆星的質量夠大。整個天體在引力的作用下，會被非常誇張的擠壓。我們中國有句老話叫做物極必反。恆星在被強大的引力擠壓後，也會反抗。

具體來說就是，由於引力的擠壓，恆星內部的溫度攀升，溫度可以達到上千萬度，甚至上億度。在這個溫度下，以及量子隧穿效應、弱相互作用的幫助下，就會點燃原子核的核聚變反應。正如上文所說的，起初宇宙中主要是氫元素和氦元素。因此，恆星其實主要也是由這兩個元素構成的。首先促發的核反應是氫原子核的核聚變反應。主要有兩條路徑，分別是質子-質子反應鏈和碳氮氧迴圈。無論是哪條路徑都是4個氫原子核生成1個氦-4原子核。

核聚變反應會產生對外的壓力，這個壓力會和引力形成動態平衡。使得恆星不會一下子炸開，也不會一下子被引力壓縮成一個點。

但恆星核心的氫原子核核聚變得差不多時，這時候恆星就會完成一次換擋。此時恆星核心主要是氦原子核。恆星引力作用下，繼續促發氦原子核的核聚變反應。但這裡要注意的是，有部分恆星的質量不足以促發氦原子核的核聚變反應，這是因為氦原子核的核反應條件要比氫原子核更苛刻。

因此，這些恆星就會停在燒完氫原子核後的狀態，等著徹底涼透。而質量足夠，引力足夠就可以繼續促發氦原子核的核聚變反應，生成碳原子核或者氧原子核。

太陽就到達到這一步，當氦原子核燒完後，太陽自身的質量沒有辦法繼續促發核聚變反應，太陽就會成為一顆白矮星，等待著徹底地涼透。這時候太陽核心其實不是金屬核心，而主要是碳元素和氧元素。

如果此時質量還足夠大呢？

事實上，恆星就會一步步恆聚變反應下去，一直到鐵原子核。鐵原子核是最穩定的原子核，或者我們可以說是比結合能最大的元素核，想讓鐵原子核發生核聚變反應的難度很大，而且這個過程是要輸入能量，而不是釋放能量的。如果恆星還能夠促發鐵原子核進行反應，那就會發生超新星爆炸。

而恆星的核心要麼形成一箇中子星，要麼形成一個黑洞。所以，我們可以看出，並不是所有的恆星都最終會形成一個金屬核心，而是絕大多數的恆星都不會如此。

人體內的元素都有數十億年的歷史

元素的產生其實是要依賴恆星的核聚變反應。我們體內絕大多數的元素其實都是這樣的。它們來自於上一代或者在上兩代恆星的產物，年紀都是在45億年以上。你的一生和這些元素的年紀比起來幾乎是可以忽略不計的。

像太陽這樣的恆星在燃燒完全結束後的殘骸是怎麼樣的？是金屬球嗎？

我們太陽系的核心是處於絕對主導地位的太陽，依靠著自身進行的核聚變，源源不斷地向外界釋放光和熱，為我們地球生命的誕生和生物世界的發展演化提供了不可或缺的物質和能量來源。太陽的演化歷史，是宇宙中絕大多數恆星共同具有的特徵，那就是在質量滿足一定範圍的條件下，所推動輕型物質向重型物質聚變的一個普遍過程，只是質量的差異造成了演化的最終結局不一樣而已。

太陽的演化歷史

如果將一個恆生的誕生和發展，與其所處的宇宙空間的狀態相隔離開來是不完整、也不科學的。其實恆星也和任何生命體一樣，其組成物質也是處在不斷地迴圈往復過程中。有形成，有發展，也有衰老和死亡，當然更有物質的重組和重組之後的重生。

據科學家們研究發現，太陽在還沒有形成之前的46億年以前，其現在所處的區域，應該是一個由相對“密集”的星際物質所組成的空間，在這裡分佈著由氣體和星際塵埃共同構成的“濃密”星雲。而這個星雲的產生，有極大的可能，是之前該區域存在著已經死亡的巨大恆星，在生命的終期，這顆恆星向外界釋放完最後的一批能量和物質之後歸於沉寂，在漫長的宇宙時間演化中，恆星殘骸以及之前釋放出的物質，逐漸形成了這個星際物質比較“濃密”的星際空間。

受到其它恆星以及星體引力波動的影響，這些星雲物質在50億年前左右的時間，在引力牽引下發生著持續不斷地碰撞和聚合，逐漸形成了一個質量相對較大的核心區域，然後在萬有引力和動量守恆定律的支配之下，周圍的星際物質和氣體一部分繼續被吸入核心區域，核心質量不斷地增長，另外也在持續碰撞的過程中，逐漸積聚著能量和溫度，與此同時，稍遠一些的星際物質和氣體，在自身也進行碰撞和聚積的過程中，開始圍繞著這個核心進行運轉，慢慢地就形成了恆星的“胚胎”。

當核心區域溫度升高到700-1000萬度時（大約在46億年前），將會激發內部最輕元素－氫的核聚變反應，兩個氫原子，即四個質子和中子，透過鏈式反應，聚合形成氦原子核，同時釋放兩個正電子，在此過程中由於質量的虧損，會釋放大量的能量。透過計算，兩個氫原子聚變為一個氦原子，所釋放的能量為4.6*10^（-12）焦耳。

目前太陽正處於中年，內部的氫元素核聚變正處於鼎盛時期，每秒鐘所消耗的氫元素質量大約為7億噸，這個數值看上去非常龐大，但是由於太陽的總質量也非常巨大，因此，這種鼎盛的核聚變局面還可以持續至少10億年以上，之後就會緩慢進入紅巨星時代，觸發氦元素的核聚變。

決定恆星核聚變程度的因素

能夠影響恆星核聚變程度的因素，說白了就是由核心處的溫度決定的，不同的溫度區間，可以觸發不同的元素向下一級核聚變進發。

之所以溫度的提高，能夠激發產生核聚變，是因為在溫度逐漸提升的過程中，原子的結構就會發生動搖，當到達一定的臨界點之後，原子中的電子就會激發出來，使原子核成為“孤家寡人”，然後原子核在高溫下的運動速率也會加快，從而克服了原子與原子之間的庫倫力束縛，相同的原子核就會有較高的機率發生相互結合的情況，從而組成原子的質子和中子就會重新進行組合，形成原子量更高的元素。

而恆星核心溫度能夠達到多高、核聚變能夠持續到什麼程度，則又將取絕於恆星的質量。我們看到的恆星處於穩定的狀態，其實其內部無時無刻不在進行著兩種力的相互抗衡，一個是電子的簡併壓力，是隨著溫度的升高，使同類的原子相互結合過程中出現的自然排斥力，可以理解為原子本身不想聚變，有向外輻射力量的趨勢。另一個是恆星本身的重力，在萬有引力作用下，恆星外層的物質時刻都有被向核心處吸引的趨勢。這兩種力量的對抗，如果電子簡併壓力佔據了上峰，則恆星的下一步氦聚變就會中止，因為提供不了足夠的重力來使原子與另外的同類原子進行結合，新的元素也將不會再產生了。

恆星質量的大小對核聚變結局的影響

不同質量的恆星，其內部核聚變的程度是不一樣的。這裡主要分三種情況進行要簡要分析。

1、當恆星質量處於太陽質量的1.44倍以內時，這也是宇宙中大多數的恆星質量的範圍，在這個範圍之內，沒有突破錢德拉塞卡極限。如果恆星內部的氫元素消耗殆盡時，恆星將會在重力作用下進行塌縮，隨著塌縮的進行，核心處的溫度極劇升高，可以引發氦元素進行核聚變的溫度（2億度），形成氦閃現象，然後在向外輻射壓大幅增加的情況下推動整個恆星體積急劇膨脹，形成紅巨星。此後再經過塌縮、膨脹這樣的相類似的過程，隨之產生更重的元素C。之後，太陽般大小的恆星，其重力就再也無法滿足C的核聚變條件了，此後就會不斷地塌縮形成白矮星，此時核聚變完全中止，白矮星持續在進行著降溫冷卻的過程，再經過個幾百億年最終形成黑矮星。可以看出，太陽的最終結局是黑矮星，主要由C元素構成，並沒有金屬元素。

2、假如恆星的質量更大一些，處在3.2個太陽質量（奧本海默極限）以內，那麼，在巨大重力的影響下，其最終的結果是，組成恆星物質原子核外的電子都被壓進原子核的內部，與質子結合形成中子，形成中子星，其最終核聚變的產物是鐵元素，此時由於鐵元素的結合能最高，便無法從核聚變中獲得更多的能量，於是星體在末期就會失去向外的熱輻射壓力，星體外層物質就會在重力作用下快速向核心處塌縮，在此過程中大量形成的熱能就會以超新星爆發的形式展現出來。因此，中子星最終的結局也是黑矮星，只不過這個黑矮星裡含有金屬元素鐵。

3、當恆星的質量突破3.2個太陽質量時，在恆星末期劇烈的塌縮排程中，其重力佔據了絕對優勢，即使中子之間的相互排斥力也不足以抵擋向內的壓力，這個塌縮就會無限持續地進行下去，中子也被壓得粉碎，最終在核心處形成幾乎密度無限大、體積無限小的黑洞。

總結一下

恆星的發展演化週期，與其核心處的溫度變化有直接關係，而影響溫度變化的主要因素就是恆星的質量。因此，恆星質量的大小，決定著最終的演化歸宿。而我們的太陽，最終的演化路徑將是從目前的壯年，發展到紅巨星，之後塌縮形成白矮星，最終形成黑矮星，組成物質是由C元素。而只有當恆星質量突破3.2倍太陽時，其最終的殘骸之中才會有金屬元素Fe。

我們的太陽只是茫茫宇宙中最普通的一顆恆星，就像宇宙中的一粒塵埃，恆星的形成大都是一樣的，但是消亡略有區別。

星雲階段:星雲是從其他的恆星死亡後留下來的殘骸或者宇宙間漂流的星雲(主要成分是氫、氦)。恆星階段：在萬有引力的作用下聚在一起，形成一個氣態的星體，由於內部的壓縮溫度不斷升高，因此產生熱核聚變，四個氫原子聚合成一個氦原子而產生能量發光發熱。

★恆星階段，包括從幼年到成年，溫度和亮度不斷升高，這也是為什麼10億年前地球才出現生命。

紅巨星/超巨星(老年階段)：定義紅巨星和超巨星是根據其質量大小，大於10個太陽單位(一個太陽的質量就是一個太陽單位)的恆星在老年會成為超巨星，而小於10個太陽單位的恆星在老年階段成為紅巨星。

消亡階段：超巨星會發生超新星爆發而進而坍縮成一個黑洞或者中子星(這也得看恆星大小)。紅巨星則直接拋開外殼形成一顆白矮星。我們的太陽是一顆黃矮星，正值壯年(恆星階段)

太陽誕生到現在大約有46億年，當然這說的是太陽形成到恆星階段的時間，星座階段不得而知。太陽內部時時刻刻發生著熱核聚變，不斷把氫轉變成氦，自太陽形成之初到現在已經消耗掉了相當於100個地球的質量。

老年階段，我們的太陽會膨脹成一顆巨大的紅巨星，可能會達到現在的火星軌道。

太陽內部不斷髮生著熱核聚變，60億年後，氫消耗殆盡。太陽內部會形成更重的氦，由於氦在引力的作用下不斷坍縮，溫度升高發生氦聚變變成更重的碳，由於發生氦核聚變的溫度更高更不穩定，那個時候的太陽比現在溫度更高，接著會發生"氦閃"使外殼不斷膨脹而形成紅巨星。

消亡階段，紅巨星釋放外殼，熾熱的核心被稱為白矮星。

紅巨星在熱氦反應下形成更重的碳，為了抵抗引力而發生坍縮溫度進一步升高，因為碳發生核聚變有更高的溫度，加上不斷質量損耗(E＝mc²)引力不能吸收住外殼。在熱脈衝下，外殼被吹散形成行星狀星雲為下一代恆星誕生做準備。而太陽就只剩下了一顆熾熱的核心(白矮星)。

白矮星在接下來的10億年後逐漸冷卻，形成一顆不發光的死星。

最後，因為在熱氦核聚變形成了碳元素，在超高溫超高壓下，這顆暗淡的星體形成了鑽石的核心。

總結：這就是太陽的歸宿，一顆有著鑽石組成的核心，不發光不發熱的死星。

俯仰君陪你解答科學問題

太陽最後會是一顆白矮星，億萬年後冷卻成為黑矮星

紅巨星

但是幾十億年後，當太陽的氫元素消耗大半，剩餘的氫元素核聚變產生的內部壓力不足以抗衡恆星的引力。太陽就會在自身引力的作用下向內收縮，導致壓強和溫度又一次升高，太陽外部區域的氫元素又一次開始聚變。聚變的輻射壓向外推動著太陽的外殼膨脹為一顆紅巨星，同時向內擠壓內部的氦核。

氦核的聚變

內部氦核在輻射壓的擠壓下，溫度不斷升高最終開始氦元素到碳氧元素的聚變。

到氦聚變的後期，恆星的聚變開始變得不穩定，紅巨星外殼最後會因為爆炸而被拋射出去成為不斷擴散的星雲。

白矮星

最後只剩聚變結束的恆星核心，一個密度很大的球體，質量和體積不及之前的恆星，這就是白矮星。由於聚變反應剛剛停止，其溫度依然很高，並散發著白光（所以稱之為白矮星）。

從一顆中低質量恆星演化為一顆黑矮星要歷經千億年的時間，宇宙尚沒有如此壽命。所以宇宙中現在最老的恆星還在白矮星階段，還沒有真正的黑矮星。

太陽燃燒結束後會變成一顆碳氧型白矮星，也稱為簡併矮星。而且星河系內97%的恆星終於都會如此。

太陽目前還處於主序星階段，核燃燒還會大約持續50億年。

像太陽這樣的恆星自誕生起，中心就一直進行著氫聚變反應，每4個氫原子核聚變成一個氦原子。持續釋放的巨大核能維持了恆星的內部壓力與與自身引力達成平衡，才使恆星保持穩定，這一階段的恆星就成為主序星。

我們的太陽已在主序星階段燃燒了50億年了，每秒大約會損失430萬噸的質量。當50億年後核心的氫全部聚變為氦後，中心壓力巨減，不再能與自身的引力抗衡，氦核開始引力收縮，溫度、壓力、核心密度隨之升高，氫外殼的氫被點燃，太陽就會迅速膨脹，體積可以達到目前的100萬倍以上，併發出增至現在100倍光亮度的紅光，水星、金星、地球都會被膨脹的太陽吞噬，太陽由一顆主序星變成一顆紅巨星。

太陽進入紅巨星階段後，大約只能持續燃燒2-3億年。

變成紅巨星後的太陽，當中心區收縮到約1億攝氏度時，氦將被點燃，發生氦聚變反應，氦原子聚變產生碳、氧原子。

太陽會進入新一輪的核燃燒階段，另外外殼氫的燃燒速度將大大超越以前核心氫的燃燒速度，大約2-3億年就燃燒光了，同時外層氣體會成為行星狀星雲被拋灑到宇宙中，留下一個小了一大圈，大約地球體積大小的核心，但由於本身質量太輕，引力不足以繼續壓縮核心引發碳元素的核聚變，所以最後太陽燃燒完所有能燃燒的物質後，就會變成一顆碳氧型的白矮星。

只有大於8個太陽質量的恆星，才能在紅巨星階段後，引發超新星爆發形成一顆中子星或黑洞。

所謂超新星爆發，就是由於恆星質量足夠大，能在引力的作用下，持續引發核心區的元素聚變：氫變氦，氦變碳，碳之後，氧燃燒，然後是矽、鎂等，直到恆星中心區域變成一個鐵核時，核聚變反應正式結束。因為鐵是最穩定的元素，不會聚變，因此這時恆星中心不再產生能量，恆星就會因為核心失去支撐發生極速坍縮，發生強烈的核爆炸。

超新星爆發後，恆星中心殘骸質量大於1.44倍小於3.2倍太陽質量，就會成為一顆密度可達每立方厘米10億噸的中心星。如果剩下的殘骸質量大於3.2倍太陽質量，中子簡併力也無法抵抗引力坍縮，這時就會形成一個黑洞。

與太陽質量相等的恆星，在主序星後期，其核心部位的氫元素會越來越少，而氦元素的比例會逐漸上升，同時核心的溫度和壓力也會逐漸上升，太陽的半徑開始增大。

直到核心溫度達到1億度，便引發了氦聚變，產生氦閃，而外部半徑也達到現在的100倍以上。

在隨後的約5000萬年時間裡，太陽開始處於膨脹與收縮的迴圈之中，中心溫度持續上升，太陽逐漸變成紅巨星。

核心的氦聚變產生了碳和鈹元素，這是最核心的部分，外層是氦元素，再外層是氫元素。

直到發生大爆炸之前，核心還會產生一些氧元素和氖元素，隨後在大爆炸中變為了白矮星。白矮星是依靠電子簡併的壓力抵抗住引力的坍縮，形成了平衡的天體。太陽演化的這類白矮星稱為氖-氧白矮星，到達白矮星階段後，內部將不再繼續演化。

隨後的時間中，白矮星將逐漸散失自身的能量，在漫長的歲月之後，逐漸變冷變暗，最終成為一顆黑矮星。表面溫度接近宇宙空間的溫度，但其質量和大小不會再有變化。

所以，太陽的最終結果並不是一個金屬球，而是外圍呈簡併態的物質，而核心擁有一些氖元素以下元素的高密度的核心的這樣一個天體殘骸。

答：太陽這樣的恆星，在氫元素燃燒殆盡後，會形成一個主要由碳、氧元素組成的“碳氧核”，成為一顆白矮星。

恆星質量很大程度上決定了恆星的發展方向，可以說恆星演化就是一部化學元素轉化的歷史；恆星在剛形成前，主要元素都是氫元素和氦元素，恆星點燃前質量如果持續增加，內部溫度和壓力會逐漸升高，直到氫元素的核聚變被點燃，然後恆星進入主序星時期。

恆星的質量越高，恆星內部的溫度和壓力也越高，核聚變反應也就越劇烈，這也導致質量越大的恆星，壽命越短，恆星壽命從1000萬年~1000億年不等，我們太陽屬於中等質量恆星，理論壽命大概是110億年，目前已經燃燒了45億年。

當然太陽的燃燒是不需要氧氣的，而是在很小的一個核心區域進行著氫元素的核聚變反應，生成物是氦元素，同時透過質能方程釋放大量的能量，照耀我們地球數十億年。

在主序星時期，恆星內部主要進行著氫元素向氦元素的聚變反應，對於小質量恆星，內部溫度和壓力達不到氦元素聚變的條件，所以小質量恆星演化為白矮星時，內部主要元素是氦。

而我們的太陽，在氫元素消耗殆盡後，會透過氦閃來發生氦元素的聚變，氦元素聚變的主要產物是碳和氧，然後形成一個碳氧核，氦元素在碳氧核的殼層燃燒，直到氦元素消耗殆盡為止；而一部分未燃燒的氫元素和氦元素，會被吹散到宇宙空間中，形成行星狀星雲。

最後留下一個主要由碳元素和氧元素構成的緻密天體，密度高達每立方厘米數十噸，這就是白矮星，然後白矮星會經歷數百億年的時間，冷卻為黑矮星。這就是我們太陽的“墳墓”。