“有一说一”的物质元素从何而来？(下)

恒星质量比起行星质量而言通常大得惊人，人们可能以为恒星在自身的巨大引力作用下将会彻底塌缩，从一个“大球”变成一个“小球”，但恒星在漫长的生命周期过程中没有变成坍缩的黑洞，在恒星内发生的核聚变反应阻止了它在自身引力下发生的塌陷。恒星由千千亿、万万亿个原子组成，作为一个球型天体的恒星在圆周的所有方向都会发生收缩，原子在向内收缩时发生了相互碰撞。

气体云在恒星形成初期的温度很低，原子在发生相互碰撞之后“弹来弹去”，很难粘连和聚合在一起，当恒星产生在自身引力下的持续压缩时，原子的相互碰撞变得越来越频繁，恒星中心区的温度随之上升得很快，原子的相互碰撞提升了恒星内的温度，温度上升反过来加剧了原子的相互碰撞，在高温高压条件下发生的碰撞使得原子获得了相互融合的足够能量，原子核之间的融合被物理学家称为核聚变反应。

恒星内部的热核反应有双重功效，一是热核反应将核能转化为热能，释放的热量将恒星物质加热，热辐射压力阻止了恒星产生引力塌缩的趋向，热辐射膨胀和引力的收缩产生了平衡，恒星在数十亿年的演变中获得了十分稳定的物理机制保障。二是热核反应将轻元素转化为重元素，从氢聚变为氦开始，缓慢地产生了人们今日观测到的锝元素。人们骨骼内的钙元素、珠宝器物中的金元素都是通过恒星核合成的方式产生的。

不同的核反应过程产生了不同的物质元素，在地面实验室进行原子核聚变反应十分困难，60多年来，科学家通过“恒星实验室”寻找核聚变的物理机制，他们希望将驱动恒星演变的能量机制应用于发电之类造福人类的项目，从人造核聚变装置中获得电力的来源，核能源是一种高效的清洁能源，出于保护地球生态环境、减少碳排放的迫切需求，开发安全的核能源是人类目前的最好选择。

今日物理学家仍在揭示物质元素的起源之谜，天文学家使用了收集元素信号的多种方式。越来越多不同年龄的恒星进入了天文学家的视线，他们通过观测和统计大致了解了宇宙所有元素的形成机制，在宇宙大爆炸初期产生了简单的物质元素，不同年龄的恒星在晚期大爆发中锻造了复杂的物质元素。过去10年，在大量观测成果的基础上，科学家绘制了一幅物质元素家族十分复杂的图像，从中显示了元素的产生比原先的预测更为宽阔。

什么类型的恒星、什么样式的恒星爆炸事件带来了什么样的物质元素？人们还不完全清楚其中的物理机制，找不到所有问题的答案，这正是人们探求的目标和方向。物理学家确信，所有的恒星爆发事件释放了不同种类的元素，物质元素混合在汹涌翻滚的尘埃气体之中，下一代的恒星和行星——其中包括我们的太阳和地球从掺杂不同元素的气体云中产生。人们身体内的物质元素同样来源于原始的恒星云团，生命绝不是起源于某种宇宙意志或某种灵魂附体。

最近的创生元素事例发生在一对双中子星的碰撞与合并，世界各地的电磁波段望远镜观测到了从中子星事件发出的电磁辐射，位于美国的两个引力波干涉仪天文台收到了从中子星事件产生的引力波，第一次从两个观测台同时发现了“中子星灾难”信号。在“全球采风”的中子星事件观测活动中，科学家找到了所谓的镧系元素，包括铽、钕、镝等，它们是制造手机零部件的稀有元素物质。

科学家在发现锝元素的时代“你追我赶”，目前，世界各国的核科学家在多个加速器实验室开展项目研究，期望从中找到所有核物理机制的解释。改变人们认识自然的伟大发现不会每天都有发生，科学家在发现之旅的一生中不一定受到“发现之神”的惠顾。但科学团队的协同和合作比过去显得更为有效，他们将“零零碎碎”的发现片段拼合在一起，展现了一幅物质元素如何形成的宏伟画卷，他们通过集思广益的合作攻关，正在完成一幅体现人类科学水平的“最后拼图”。

使用新的大型望远镜，进行精确的天文观测，随着技术的持续改进和知识的加速积累，科学家揭示了遥远恒星的更多奥秘。除了天空观测的方式，他们应用了先进的加速器，全方位地探索物质元素的形成机制，加速器和恒星内的核反应遵循同样的物理机制，实验室成果加深了人们对恒星核反应原理的认识。在复杂而高速的计算机模拟帮助下，科学家把所有观测的结果以约束的参数输入物理模型，以计算机图像还原事件的始末，从未知现象寻找线索的努力可能导致下一次的重要发现。

（编译：2018-5-31）