惊喜：宇宙中第三常见的元素

在氢和氦之后，元素周期表充满了惊喜。存在的最显着事实之一是，我们曾经接触、看到或与之相互作用的每一种材料都由相同的两种物质组成：带正电的原子核和带负电的电子。这些原子相互作用的方式——它们相互推拉、结合、吸引和排斥，并产生新的、稳定的分子、离子和电子能态的方式——实际上是对整个原子的负责。我们周围的世界。

尽管正是这些原子及其成分的量子和电磁特性使我们的宇宙能够以我们观察到的特性存在，但重要的是要认识到，宇宙并不是从创造我们今天所知的所有必要成分开始的。恰恰相反，它开始时几乎没有 任何 其中。

为了实现这些不同的键结构，并构建构成我们所感知的所有组成部分的复杂分子，我们需要种类繁多的原子。请注意，不仅仅是大量的原子，还有在类型上表现出极大多样性的原子，这意味着原子核中存在不同数量的质子：正是这种物质制造了不同的元素。

我们的身体本身需要碳、氮、氧、磷、钙和铁等元素。我们地球的地壳本身需要硅和无数其他重元素，而地球的核心——为了产生它所有的热量——需要元素从元素周期表一路上升到我们发现的最重的自然存在的元素：钍、镭、铀，甚至是微量的钚。

但回到宇宙的早期阶段——在人类之前，在有生命之前，在我们的太阳系之前，在有岩石行星甚至第一颗恒星之前——我们所拥有的只是一个炽热的、电离的质子海，中子和电子。没有元素，没有原子，也没有原子核：宇宙对任何这些都太热了。只是因为宇宙膨胀和冷却，我们才能够形成任何稳定的东西。

但时间过去了，我们做到了。第一个原子核在没有立即爆炸的情况下融合在一起，产生了氢及其同位素、氦及其同位素，以及微量的锂和铍，后者会放射性衰变为锂。这就是我们开始时的宇宙：一个宇宙——按原子核的数量——大约有 92% 的氢、8% 的氦和大约 0.00000001% 的锂。按质量计算，这大约是 75-76% 的氢、24-25% 的氦和 0.00000007% 的锂。差不多 全部 氢和氦，不管你怎么切。

数十万年后，宇宙冷却到足以形成中性原子，然后数千万年后，引力坍缩使第一批恒星形成。因此，核聚变现象不仅将光带回了宇宙，而且也将重元素带入了我们的现实。

在第一颗恒星诞生的那一刻，即大爆炸后约 50 到 1 亿年，大量的氢开始融合成氦。但更重要的是，最大质量的恒星（质量大约是我们太阳的 8 倍以上的恒星）在短短几百万年的时间里就非常迅速地燃烧掉了这种燃料。一旦它们的核心中的氢耗尽，氦核心就会收缩并开始将三个氦核融合成碳！只需要大约一万亿（10¹²）这些重星存在 在整个宇宙 （在最初的几亿年中形成了大约 10²² 颗恒星）锂被击败。

但是会不会 碳 打破记录，并在今天进入第 3 元素？你可能会这么想，因为星星在洋葱状层中融合了元素。氦融合成碳，然后在更高的温度下（以及更晚的时间），碳融合成氧气，氧气融合成硅和硫，最后硅融合成铁。在链的最后，铁不能融合成任何东西，所以核心内爆，恒星变成超新星。

这些超新星，通向它们的步骤，甚至它们的后果，用恒星的所有外层丰富了宇宙，它返回了氢、氦、碳、氧、硅和所有通过其他一些过程形成的更重的元素：

• 缓慢的中子捕获（s-过程），按顺序构建元素，
• 氦核与较重元素的聚变（产生氖、镁、氩、钙等），以及
• 快速中子捕获（r 过程），创造元素一直到铀甚至更远。

但我们甚至没有这个 单身的 一代恒星：我们有很多，而今天存在的主要不仅是原始的氢和氦，而且是前几代人的剩余物。这很重要，因为没有它，我们永远不会得到岩石行星，只有氢和氦的气态巨行星， 只 ！

数十亿年来，恒星形成和恒星死亡的过程不断重复，尽管成分越来越丰富。现在，大质量恒星不再简单地将氢融合成氦，而是在所谓的 C-N-O 循环中融合氢，随着时间的推移使碳和氧的数量（氮稍少）趋于平衡。

此外，当恒星进行氦聚变以产生碳时，很容易在其中获得一个额外的氦原子以形成氧（甚至在氧中添加另一个氦以形成氖），即使是我们微不足道的太阳也会在红色巨相。

但是恒星有一个杀手锏，使碳成为宇宙方程中的失败者：当一颗恒星的质量足以引发碳聚变时——这是产生 II 型超新星的必要条件——将碳转化为氧气的过程就会发生。 几乎完全完成 ，当恒星准备爆炸时，产生的氧气比碳多得多。

当我们观察超新星遗迹和行星状星云——分别是非常大质量恒星和类太阳恒星的残余物——时，我们发现在每种情况下，氧的质量和数量都超过了碳。我们 还 发现没有其他更重的元素能接近！

是的，氢仍然是排名第一的，氦也是非常大的排名第二。但在其余元素中，氧是强#3，其次是碳#4，然后是氖#5，氮#6，镁#7，硅#8，铁#9，硫四舍五入前 10 名。

遥远的未来会怎样？

在足够长的时间段内，至少是当前宇宙年龄的数千倍（可能更像是数百万倍），恒星将继续形成，直到燃料被喷射到星际空间，或者直到它完全燃烧为止因为它可以去。当这种情况发生时，氦最终可能会超过氢成为最丰富的元素，或者如果足够多的氢从聚变反应中分离出来，它可能会保持第一。在超长的时间尺度上，没有从我们银河系中喷出的物质最终可能会一次又一次地融合在一起，因此有一天碳和氧可能会超过氦；也许我们目前的#3 和#4 最终可能会挤进前两名？

最重要的是坚持下去，因为宇宙仍在变化！氧是当今宇宙中第三丰富的元素，在非常非常遥远的未来，甚至可能有机会随着氢（然后可能是氦）从它的位置下降而进一步上升。每次您呼吸并感到满足时，都要感谢生活在我们之前的所有星星：它们是我们拥有氧气的唯一原因！