核聚变到铁就戛然而止，铁之后的重元素哪里来的？

根据当前主流的宇宙学理论，宇宙诞生于 138 亿年前的一场大爆炸。在大爆炸的最初时刻，宇宙处于极高的温度状态。随着宇宙空间以惊人的速度膨胀，温度逐渐降低。

在这一过程中，高能光子相互碰撞，产生一对对正反粒子。每十亿对正反粒子相互湮灭，又会产生高能电磁波，与此同时，仅有一个正物质粒子得以留存。

这就是为什么如今的宇宙由正物质主导。

大约在宇宙大爆炸后的 38 万年，宇宙温度降至 3000 度左右，原子结构开始形成，光子得以在宇宙中自由传播。

此时形成的原子，主要是氢原子和氦原子，它们位于元素周期表的前列。并非无法形成原子序数更大的元素原子，而是这些较重的原子在当时的环境下不够稳定，很多会裂变成氦原子。因此，在当今宇宙中，氢原子和氦原子的占比超过 99%。

那么，比氦元素原子序数更大的元素又是如何产生的呢？

在宇宙的漫长演化过程中，星云物质在引力的作用下坍缩，形成了各种天体，其中恒星独具特色。恒星区别于其他天体的显著特征，是其核心通过核聚变反应发光。

恒星与元素的产生又有着怎样的关联呢？这得从恒星的核聚变反应说起。

恒星通常质量巨大，以太阳为例，其质量占据了太阳系总质量的 99.86% 以上。质量越大，引力就越强。

在强大引力的作用下，恒星内核温度急剧升高，太阳内核温度可达 1500 万度。在如此高温下，太阳内核物质并非处于常见的气态、液态或固态。

由于温度过高，原子核外的电子获得足够能量，摆脱了原子核的束缚，使得太阳内核物质处于等离子态，其中原子核、电子和光子相互交织。

这里的原子核主要是氢原子核和氦原子核，氢原子核即质子。由于原子核都带有正电，根据同种电荷相互排斥的原理，原子核之间似乎难以发生核聚变反应。

要引发核聚变，需要输入大量能量，例如，人类在地球上引爆氢弹，需创造一亿度的高温环境，通常会先引爆原子弹来实现这一条件。

从理论上讲，太阳内核的环境似乎不足以引发核聚变。

但在微观世界中，存在 “量子隧穿效应”，即便是需要输入能量才能发生的反应，在微观层面也有极小概率发生。

太阳质量巨大，粒子数量众多，即便概率极低，乘以庞大的粒子数，氢核聚变反应也成为大概率事件，只不过反应速度极为缓慢。因此，氢核聚变能够在太阳内核发生，且不会像氢弹那样瞬间爆炸。

反应过程是 4 个氢原子核聚合成 1 个氦原子核。由于氦原子核聚变的条件比氢原子核聚变更为苛刻，所以恒星首先发生的是氢原子核的核聚变。

在恒星中，氢核聚变主要有质子 - 质子反应和碳氮氧循环两条路径，最终结果都是 4 个氢原子核生成 1 个氦原子核。

当恒星内核的氢原子核消耗殆尽后会发生什么呢？

恒星会在引力的作用下继续收缩，导致内核温度进一步升高。如果恒星质量足够大，就会引发氦原子核的核聚变，生成碳原子核和氧原子核。

当氦也燃烧完毕，会继续燃烧碳原子核和氧原子核，产生原子序数更高的元素，比如碳原子核燃烧生成氧原子核，氧原子核燃烧生成氖原子核，进而生成镁原子核。

一般来说，只要恒星质量足够大，核聚变反应可以一直持续到铁原子核的形成。

铁原子核是元素世界中的一个特殊存在，它是最稳定的原子核，具有最高的比结合能。

这意味着无论是将铁原子核分裂，还是使其继续聚合，都极为困难。在铁原子核形成之前，核聚变反应都会释放大量能量，但要让铁原子核发生核聚变，却需要输入大量能量，且产生的能量少于输入的能量，属于吸能反应。

因此，恒星要进入下一阶段的演化，需要跨越极高的门槛。通过理论计算，科学家发现，只有质量达到太阳质量 8 倍以上的恒星（也有观点认为是 9 倍或 10 倍以上），才能继续引发下一步反应。

如果恒星质量超过这一门槛，在引力的作用下，将进入超新星爆炸阶段。

超新星爆炸的亮度极高，常常可与一个星系的亮度相媲美，在中国古代，超新星被称为客星。在超新星爆炸过程中，会产生许多原子序数比铁元素更高的元素。

实际上，在恒星发生超新星爆炸前，其内核最中心部位也会合成少量比铁元素原子序数高的元素，如锌，但数量极少，几乎可以忽略不计。

那么，所有原子序数比铁元素高的元素都来自超新星爆炸吗？

事实并非如此。

恒星在超新星爆炸后，内核会在引力的作用下剧烈收缩。如果此时内核质量大于 1.44 倍太阳质量且小于 3 倍太阳质量，就会形成中子星；若内核质量大于 3 倍太阳质量，则会形成黑洞。

科学家最近发现，原子序数比铁元素更高的元素，更多地来自两个中子星的合并。例如，银元素和金元素绝大部分都源于中子星的合并。

然而，宇宙中的中子星数量并不多，两个中子星相遇并合并的概率更是微乎其微，这使得高顺位元素极为稀缺，含量极低。

总结

宇宙的元素合成主要有以下三种途径：宇宙大爆炸后 38 万年，宇宙中合成了氢元素和氦元素；恒星核聚变能够产生从氦元素到铁元素之间的各种元素；比铁元素原子序数更高的元素，主要来自超新星爆炸和中子星合并。

此外，还有一些其他合成元素的方式，如宇宙射线裂变，但并不常见。

通过这些过程，我们不难发现，我们身体中的元素，远比我们自身古老。体内的氢元素源于 138 亿年前的宇宙大爆炸，而其他元素的年龄至少有 46 亿年，比地球的年龄还要大。

甚至可以说，许多金银首饰，曾经都是恒星的核心物质，它们见证了宇宙波澜壮阔的演化历程。