“一环扣一环”的物质元素从何而来?

与行星相比，恒星的质量通常大得惊人，人们也许以为，恒星在自身引力的巨大压迫下将会发生完全的塌缩，从一个恒星“大球”变成一个恒星“小球”，但是，恒星在漫长的生命周期中不是即刻变成一个坍缩性的黑洞，这是由于在恒星内发生了核聚变反应，热膨胀效应阻止了恒星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上发生了收缩，难以计数的原子在向内收缩的过程中发生了相互碰撞。

在恒星形成的初期，气体云团的温度很低，原子在发生相互的碰撞后弹来弹去，不太容粘连和聚合在一起，当恒星在自身引力的作用下持续地向内压缩时，原子的相互碰撞变得越来越频繁，恒星中心区的温度上升得很快，原子的相互碰撞提升了恒星内部的温度，而温度的提升反过来又加剧了原子的相互碰撞，在高温高压的环境中，原子通过碰撞获得了足够的融合能量，原子核的相互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，通过热量的释放加热了恒星，热辐射的膨胀力阻止了恒星引力塌缩的发生，热辐射力和引力达成了平衡，在物理机制的保障下，恒星在数十亿年的演变期处于稳定的状态。二是热核反应将轻元素转化为重元素，从氢聚变成氦开始，后续缓慢地转化为人们在系外恒星观测到的鍀元素。人们骨骼中的钙元素、珠宝器物内的金元素等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不同的物质元素。

在地面实验室实现原子核的聚变反应十分困难，过去的60多年，科学家设想了“恒星实验室”的场景，从中寻找核聚变的物理机制，期望将恒星演变的驱动能量用于造福人类的目的。人造核聚变装置主要用于发电，核能是最清洁的能源，保护地球的生态环境，减少大气层的碳排放量，开发核能源是目前减排降碳的最佳选择。今日物理学家仍在揭示物质元素的起源之谜，天文学家应用了对元素信号进行观测的多种方式，越来越多不同年龄的恒星进入了天文学家的视野，他们大致了解了整个宇宙元素的形成过程，从宇宙大爆炸产生了简单的元素，不同年龄的恒星炼制了复杂的元素。

过去的10年到20年，科学家积累了大量的观测成果，绘制了一幅元素家族的复杂图像，观测的证据表明，元素的产生比原先的预期更为宽阔。恒星有不同的类型，恒星爆发事件有不同的方式，从中产生了不同的物质元素，科学家不是完全清楚所有元素的产生过程，不能回答的问题恰好是科学家的研究目标和方向。物理学家认为，从所有恒星的爆发事件中释放了不同种类的元素，这些物质元素被混合在汹涌翻滚的尘埃气体之中，下一代的恒星和行星——包括我们的太阳和地球从不同元素构成的气体云中诞生，人们身体的各种元素也来自于原恒星云团，某种宇宙意志或灵魂附体创生不了任何元素。

最近的元素创生事例出现在一个双中子星的合并，全世界的电磁波望远镜接收到了中子星事件的电磁辐射，两个引力波干涉仪天文台接收到了由中子星碰撞事件发出的引力波，第一次通过两种观测手段同时发现了“中子星灾难”的信号。在“全球采风”的中子星事件中，科学家发现了所谓的镧系元素，铽、钕、镝，这些材料是制造手机零部件的稀有元素。科学家在发现鍀元素的时代你追我赶，目前，世界上的核科学家在各个加速器实验室抓紧研究，期望对所有元素的发现找到核物理的解释方式。

改变人们自然认识的发现不是每天都在发生，在一生的发现之旅中，科学家不一定遇见“发现之神”的光顾。但是，科学团队协同的研究方式比过去的年代更加有效，零零碎碎的发现片段被拼合成一幅物质元素从中诞生的宏伟画卷，通过科学家的集思广益，正在完成一幅体现了人类认知水平“最后的拼图”。科学家使用了技术升级的望远镜，开展了日益精确的天文观测，技术改进的手段在持续，认知的积累将帮助科学家深入揭示遥远恒星的更多奥秘。

除了天空观测的手段，科学家将会使用最先进的加速器，以此研究元素形成的过程，在加速器和在恒星之内都实现了核反应，遵循了同样的物理机制，在实验室取得的研究成果加深了人们对恒星核反应机制的理解。通过复杂和高速运算的计算机模拟，科学家将所有观测结果以参数约束的方式输入了模型，尝试使用计算机图像来还原事件的过程，尽可能找到未知现象的线索，所有的努力都将导致科学家下一次的重要发现。

（编译：2021-5-31）