恒星核聚变到铁元素就停止了，更重的元素是怎么来的？

宇宙学家面对的一大挑战是，仅仅通过恒星核聚变，只能生成铁及更轻的元素。科学家们发现，恒星在进行核聚变时，到了铁这一步就会停下来。然而，在我们的宇宙中，比铁更重的元素广泛存在。它们是如何诞生的呢？

通过细致的研究，科学家们发现，重元素的诞生与宇宙漫长的演化历程紧密相关。

根据目前广为接受的理论，我们的宇宙起源于138亿年前的大爆炸，即宇宙大爆炸理论。大爆炸初期，宇宙的温度极高。

随着宇宙的膨胀，温度逐渐降低。当温度下降到某个点时，高能光子开始有机会碰撞形成正反粒子对。按常理，这些正反粒子最终会湮灭产生高能电磁波。但实际上，大约每十亿对正反粒子湮灭，就有一个正粒子侥幸存活下来，构成了我们所知的物质宇宙。

随着温度的进一步降低，形成了氢和少量的氦，这两者是宇宙中最轻的元素，占到了总量的99%以上。这并不是说，更重的元素无法形成，只是它们不够稳定，会很快分解成氢和氦。

那么，那些重元素究竟是怎样来的呢？

简单来说，答案是：恒星。恒星就像是元素的“炼金炉”。

恒星的演化是星际云在引力作用下的集聚过程。随着星际云物质的聚集，质量和引力不断增加，核心的温度也随之升高。当温度达到一定水平时，就会引发核聚变。

以太阳为例，其核心温度高达1500万度，那里的物质不是气体、液体或固体，而是等离子态，即自由移动的“粒子汤”，电子、原子核和光子到处运动。

1500万度的温度虽然很高，但还不足以引起氢聚变为氦，这需要大约一亿度的高温。但太阳实际上一直在进行核聚变，这不是自相矛盾吗？

实际上并不矛盾。在微观世界中，存在一个被称为量子隧穿效应的现象：即使没有足够的能量，反应也有可能发生。

具体来说，尽管太阳核心的粒子没有足够的能量进行核聚变，但还是有一定的概率发生。量子隧穿效应表明，微观粒子可以在极短时间内获得极大的能量，这在宏观世界中是不可思议的，但在微观世界中却是可能的，这也是量子力学中能量与时间不确定性的体现。

尽管量子隧穿效应在微观世界中发生的概率较大，但由于太阳的质量巨大，微观粒子数量极其庞大，因此再小的概率，乘以巨大的粒子数量，最终也会成为一个大概率事件，通过量子隧穿效应发生核聚变的粒子数量也是相当可观的。

然而，“太阳质量很大”是相对而言的。太阳的质量足以触发核聚变，但不足以维持其无限期进行。随着核燃料的减少，核聚变的规模会逐渐减小，当氢耗尽时，氦会继续聚变，形成更重的元素。

如果氦也消耗完毕，接下来就会是碳、氧、硅等元素，一直到铁元素。但要达到铁元素，需要极大的质量，而太阳的质量是不足以做到这一点的。

铁元素是恒星核聚变过程中的一个重要分水岭，因为铁元素是最稳定的元素。它的比结合能最高，也就是说，要将铁原子核分开或用其他原子合成铁元素，需要极大的能量，这在实际操作中是非常困难的。

具体来说，比铁轻的元素在聚变时会释放能量。尽管理论上铁原子核也能进行聚变，但所需的能量极大，超过聚变产生的能量。

这意味着比铁更重的元素在聚变时，释放的能量要小于吸收的能量。这也是我们会说“恒星核聚变到铁元素就消亡了”的原因，因为通常所说的恒星应该是释放能量的。而铁元素之后的元素在聚变时不但不能释放能量，还需要吸收能量，因此不能再被视为恒星。

理论上，只要有足够的能量支持，恒星在铁元素之后的聚变仍可以继续。但要使铁元素发生聚变，所需的能量是巨大的。只有宇宙中的重大事件才能满足这样的条件。

首先，超新星爆发。当一颗恒星的质量超过太阳的8倍，在走向死亡的过程中，就会发生超新星爆发，释放出惊人的能量。短短几秒钟内释放的能量可能高达太阳一生释放能量总和的亿倍！

如此巨大的能量足以使铁元素继续聚变，形成金银铂等重金属元素。

其次，中子星碰撞。恒星死亡后通常会留下一个致密的内核，如太阳死亡后会留下一个白矮星。如果内核质量约为1.44倍太阳质量，它在引力作用下会坍缩成中子星；而内核质量约3倍太阳质量时，则会坍缩成黑洞。

中子星是仅次于黑洞的高能天体，它们通常成对出现，互相环绕。当两颗中子星发生碰撞时，也会释放出巨大的能量，形成更重的元素。

这就是重元素的起源，展现了宇宙的奇妙。如今地球上的各种重金属，包括我们日常佩戴的黄金首饰，至少都有46亿年的历史，可能比太阳还要古老，因为许多重金属都来自第一代恒星的死亡，而我们的太阳已经是第三代恒星了！