恒星核聚变到铁元素为何就停止了？那些重元素又是怎么来的？

在浩瀚宇宙中，元素的诞生与演变是一场宏伟的宇宙炼金术。当一颗巨大的恒星走向生命的尽头，中子俘获过程便成为孕育铁之后元素的神秘温床；亦或是在两颗中子星的合并过程中，也能催生出大量这类超重元素。

地球，这颗蓝绿色的星球，汇聚了从氢到铀的自然元素奇观，而铀则是大自然中发现的最重的元素。超越铀的界域，我们步入超铀元素的领域，那里，只有微量的元素天然存在，其它大部分均为人为创造，并且，它们的半衰期往往短暂得令人惊叹。

倘若你对天文学略知一二，便会明白恒星乃是大自然的元素熔炉，它能将宇宙间的氢元素通过核聚变催化为种种不同的元素。

例如，在恒星的内部，氢元素融合成氦，释放出庞大的能量；之后，氦元素也发生融合，孕育出碳和氧；而碳的融合，又会产生氖、钠、镁以及铝。

但在恒星的内部，聚变到了铁便戛然而止，例如硅融合成铁-56，铁-56无法进一步融合。那么，那些位于铁之后的元素又是如何诞生的呢？

我们所知，氢弹由氢同位素融合而成，原子弹则由铀或钚裂变产生，两者均释放了大量的能量，这与原子核的比结合能息息相关。

结合能指的是将原子核中的核子（质子和中子）彻底分离所需的能量；但我们更关心的是，结合能与核子数量的比值，即比结合能。比结合能越高，表明原子核越稳固。铁-56拥有所有原子中最高的比结合能，因此，它成为了最稳固的原子。而那些超越铁的元素被称作超重元素，难怪人们称颂“老铁”，这背后也有科学的奥秘。

有了以上的理论铺垫，让我们再审视宇宙中元素的诞生之谜。所有恒星在诞生之初，都会开始氢元素的聚变，氕核首先融合成氘核，通过一系列的聚变反应，最终生成的主要是氦-4：

（1）对于质量较小的恒星，如不超过0.8个太阳质量的红矮星，其聚变过程仅能到达氦阶段，因为其内部温度不足以点燃氦的聚变。

（2）类似太阳这样的恒星，在氢耗尽之后，引力作用会暂时压倒核聚变释放的能量，导致恒星外层收缩，使得核心部分温度急剧上升，点燃氦聚变。氦的融合迅速且剧烈，释放出巨大能量，将恒星外层的大气吹散，形成氦闪，正如《流浪地球》所描述的那样。

（3）在太阳的演化末期，聚变仅能到达碳和氧元素，而比太阳质量更大的恒星，则可将聚变进行到硅。

（4）至于质量庞大的恒星（例如约10倍太阳质量），它们能持续聚变至铁元素，而后聚变过程便告一段落，因为铁拥有最高的结合能。

要将铁-56的原子转变为更重的元素，必须继续将质子添加进铁原子中。强力将质子和中子紧紧束缚在原子核中，但强力仅在极短的距离内起作用。尽管强力强度是库仑力的百倍，但库仑力是长程力，带正电的原子核因相互排斥而难以融合质子。由于库伦势垒过高，超重元素无法通过恒星内部的质子或α粒子俘获方式形成，并且铁-56通过质子俘获所需的平均时间远超恒星的寿命。于是，在恒星内部，只能通过中子俘获的方式获得超重元素。

中子由于不带电，比质子更容易接近原子核，并被强力束缚。这种过程被称为中子俘获。中子俘获分为慢中子俘获过程（s过程）和快中子俘获过程（r过程）。

在大质量恒星的演化末期（红超巨星），内部积累了大量铁元素，并存在极高密度的中子流（高达每立方厘米10的8次方个）。铁-56俘获一个中子变为铁-57，随后发生β衰变（释放一个高能电子），生成比铁高一个序号的元素钴，即Co-57。Co-57通过中子俘获继续生成更重的元素。

慢中子俘获在低温下进行，过程缓慢，若生成物的半衰期短，则可能在下一次中子俘获前便已衰变，因此，s过程仅能生成少量超重元素。而快中子俘获过程迅速，可以在超新星爆发期间生成大量超重元素。在双中子星合并事件中，中子短时间内溃散并迅速衰变为质子，也能产生大量超重元素。

因此，形成比铁更重的元素，至少有三种途径：

（1）大质量恒星演化为红超巨星时，通过慢中子俘获过程，生成少量超重元素；

（2）双中子星合并产生大量超重元素；

（3）在超新星爆发期间，通过快中子俘获过程产生大量超重元素。

地球上的元素繁多，其中一些超重元素是人体不可或缺的微量元素，如存在于肌肉和骨骼中的铜，头发和皮肤中的砷，以及心肌和骨骼肌中的硒。

这些元素，最终都可追溯至至少45亿年前的超新星爆发或双中子星合并事件。我们体内的元素，就是那场宇宙爆炸的残余尘埃。我们皆来自宇宙的璀璨星辰。

这样的事件，在宇宙中天天上演，在我们的银河系中，平均每个世纪就有1至2次的超新星爆发。我们夜晚仰望的银河，实际上是超新星爆发后遗留物质遮挡了银河系中心光线的显现。

在红外望远镜下，这些残骸呈现出明显的放射状，也许在某处，有另一个文明正在观察我们的太阳系。