宇宙中的化学元素的起源

大多数科学家能够接受的元素起源的假设是：“质子聚变和中子俘获是宇宙中形成化学元素的两个主要过程。”这种假设认为，宇宙中所有元素都起源于氢，它在非常高的温度下，发生聚变反应，形成较重的原子核，首先是氦，其次是轻元素（锂、硼、铍等），这一过程是质子聚变。氦原子轰击轻元素的原子，就会产生中子，这些中子被轻元素的原子核俘获，就形成较重的元素，从碳、氮、铁一直到原子序数为82和83的铅和铋，这一过程是中子俘获。这两种产生元素的过程仍在恒星内部继续进行。
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我们都知道在我们生活周遭的物质都是由各种元素的原子排列组合而成。比如说，在地球上的生物体中所含有的原子种类主要包括碳、氢、氧、氮、硫、磷、氯、钙、铁、钾、钠、镁等，而地壳当中也含有丰富的其他如铝，矽、钛等元素。当今的周期表上已经列有超过一百一十种不同的化学元素，由於各种元素具有各不相同的物理、化学性质，因而造成了我们这个多采多姿充满生命力的世界。然而，这些化学元素是怎麼来的呢？是长久以来一直存在於宇宙之中还是逐渐的被制造出来的呢？

在回答这个问题之前首先我们要对原子的结构做一简单的介绍。现代原子模型奠基於二十世纪初拉赛福的阿尔法粒子撞击实验。现在我们知道，原子的质量集中在一个很小的原子核当中，原子核内包含了带正电的质子与不带电的中子。在原子核外围通常环绕著一些带负电的电子。在中性的原子内电子数与质子数相等，有时电子数会稍多於或少於质子数，我们通常将其分别称为负（阴）离子或正（阳）离子。各种元素原子的差异在於原子核内的质子数不同，因而影响到电子组态乃至於化学性质的不同，比如说碳原子核有六个质子而氮原子核有七个质子，因而造成这两种元素在化学性质上极大的差异。质子数相同但中子数不同的原子称为同位素，例如氢与氘（重氢）都含有一个质子但氘原子核还包含了一个中子。同位素原子的大部分化学性质非常类似。

从天文的观测中我们知道，这些种类丰富的元素并不是地球上所独有的，而是分布在於宇宙的各个角落。并且很明显的，大部分的这些元素已经存在非常久的时间了。因此，要了解这些元素的起源我们必须从宇宙发展的历史谈起。自从西元1929年天文学家哈伯发现宇宙持续膨胀的现象之后，科学家一般都认为宇宙起源於一个大爆炸，时间大约在一百三十七亿年前，一切的物质、能量、时间都由此产生。在大爆炸的那一瞬间宇宙中可看成为只有强烈的辐射能量而没有任何物质。一般相信在大爆炸之后约 0.0001 秒左右温度降至 1012K，此时宇宙中的质子与中子脱离与辐射线的平衡而成型。到了大约在大爆炸之后四秒左右温度降至低於 1010 K，此时宇宙中的电子也脱离与辐射线的平衡而成型。至此，构成原子的基本粒子都已经出现，但由於温度仍然太高，宇宙中尚无重於氢的稳定原子核，此时宇宙中充斥著高速运动的质子、中子、与电子以及非常高能量的辐射线。

欧洲航天局的XMM-牛顿卫星对两个明亮的X射线星系团所做的深入观测，使一个国际天文学家小组可以以空前的精度测定它们的化学成分。对于理解宇宙中化学元素的起源来说，了解星系团的化学成分是至关重要的。

这两张星系团的X射线照片是由XMM-牛顿卫星上的欧洲光子成像相机（EPIC）拍摄的，左侧的星系团名叫2A 0335+096，右侧的是Sersic 159-03。Credits: ESA and the XMM-Newton EPIC consortium

星系团是宇宙中最大的天体。透过光学望远镜观察它们，你也许会看见成百、甚至上千个星系聚集在一个直径几百万光年的空间范围之中。不过，这样的望远镜揭露的仅仅是冰山的一角。事实上，星系团中的大部分原子都是以辐射着X射线的高温气体的形式存在着，它们的质量是星系团中星系本身总质量的 五倍。
化学元素由星系团中的恒星制造，超新星爆炸和恒星风会将它们驱散到周围的空间之中。大部分元素会变成高温气体的一部分，释放出X射线。天文学家将超新星分为两个大类：“核心坍缩”和“Ia型”超新星。前一类是在大质量恒星的生命即将结束，坍缩形成中子星或者黑洞时产生的。这些超新星会产生大量的氧、氖和镁。Ia型超新星则是白矮星从其伴星上掠夺了太多的物质，超过了质量极限而爆炸产生的。它们会产生大量的铁和镍。

XMM-牛顿卫星分别在2002年11月和2003年8月，各花了一天半的时间，对两个名叫“Sersic 159-03”和“2A 0335+096”的星系团进行了深入的观测。多亏了这些数据，天文学家才在星系团的气体中，测定了九种化学元素的含量。

这些元素包括氧、铁、氖、镁、硅、氩、钙、镍和铬，最后一种元素是第一次在星系团中被检测到。“将检测到的元素含量与理论计算的超新星产量进行比较，我们发现这些星系团中大约30%的超新星都是爆炸的白矮星（‘Ia型’），其余的则是在生命结束时发生坍缩的恒星（‘核心坍缩’），”诺伯特·活纳（Norbert Werner）说，他来自于SRON荷兰空间研究所，是这项研究的主要作者之一。

“这个数字介于我们银河系的数据（Ia型超新星所占的比例大约是13%）和利克天文台（Lick Observatory）超新星搜索计划测定的当前河外超新星的数据（在所有被观测到的超新星中，Ia型超新星约占42%）之间，”他继续说。

天文学家还发现，所有的超新星模型所预言的钙含量都比星系团中观测到的含量少得多，观测到的镍含量也无法用这些模型解释。这些差异表明，超新星产生化学元素的细节还没有被彻底理解。星系团的X射线光谱数据可以帮助改善这些超新星模型。

星系团中化学元素的空间分布也掌握着关于星系团自身历史的信息。2A 0335+096中的元素分布表明，一场并合正在发生。Sersic 159-03中氧和铁的分布表明，尽管大多数元素是由核心坍缩超新星在很久以前产生的，但Ia型超新星仍在继续向高温气体中输送重元素，特别是在星系团的核心区域之中。

大多数科学家能够接受的元素起源的假设是：“质子聚变和中子俘获是宇宙中形成化学元素的两个主要过程。”这种假设认为，宇宙中所有元素都起源于氢，它在非常高的温度下，发生聚变反应，形成较重的原子核，首先是氦，其次是轻元素（锂、硼、铍等），这一过程是质子聚变。氦原子轰击轻元素的原子，就会产生中子，这些中子被轻元素的原子核俘获，就形成较重的元素，从碳、氮、铁一直到原子序数为82和83的铅和铋，这一过程是中子俘获。这两种产生元素的过程仍在恒星内部继续进行

电磁作用产生氢1，核反应产生其他