地球上的元素哪兒來的？感謝兩代恆星、感謝中子星
【豐富的元素】
我們的世界豐富多彩，充滿着各種各樣的元素。這些元素以分子的形式成為我們所看到的各種各樣的物質。
這元素從最輕的氫開始，然後是氦，接着是鋰、鈹、硼……截至2017年1月15號，我們已經發現了118個元素。
我們的生活離不開這些元素。如果你想造一輛汽車，你就會發現，你會要用到很多的元素。
想要找出汽車都用了哪些元素，最好辦法是把它拆開看看。首先我們會看到有鐵、塑料、油和橡膠，然後是鋁、硅、銅，最後是鉑、金等貴金屬。每一種材料都是製造汽車的關鍵原料，這些材料都是由元素構成。
那麼有沒有誰想過，所有這些元素是從哪裡來的？
但在早期的宇宙中，它們都不存在。要尋找答案，我們需要追溯到宇宙開始的時候，138億年前，宇宙是在一次重大事件中誕生的……宇宙大爆炸。
早期的宇宙充滿了能量，大爆炸之後只是一團混亂的東西，不像你今天所看到的那樣。
隨着早期宇宙的冷卻，能量被不穩定的物質和反物質所取代，然後是質子和中子，最後是才是原子。
但還不是我們的汽車所用到的鐵、硅或碳原子，整個宇宙幾乎完全由氫組成。
【第一代恆星】
一定有什麼事發生並給了我們其他的一切。實際上，宇宙之初所有的東西都是由氫組成的，氫原子是宇宙中最簡單、最輕的原子,只有一個正電荷質子和一個電子結合在一起。
宇宙通過把氫原子結合在一起，從而形成了更大的原子，如碳和鐵等。
一切都從最簡單的起源開始，一個鐵原子實際上是許多簡單的氫原子粘合在一起。
但是氫原子是不會平白無故地粘合在一起的。質子帶正電荷，所以當你把兩個氫原子推得更近的時候，它們會拒絕靠近。它們真的不想手拉手。這種排斥使早期宇宙成為一個氫原子相互迴避的漩渦。
如果你能夠把它們擠在一起的話，它們會被牢牢地鎖在一起，鎖在一個點上。把原子擠到一起，使它們聚變，這種聚變被稱為核聚變。
把一個充滿氣體的宇宙轉變成充滿星系、恆星和行星的宇宙的第一步，就是要核聚變。巨大的氫氣雲在自身引力作用下崩塌，隨着越來越多的氣體被吸聚在一起從而產生了壓力和溫度。
最終，核聚變在這些巨大的氣體球的核心深處點燃。第一批恆星開始製造構成我們今天汽車的那些元素。
恆星基本上就是一個把較輕的元素變成較重的元素的機器。聚變發生在這些第一批恆星的核心內部，將氫原子融合在一起生成氦。
當核心中的氫全部用完後，恆星的核心開始塌陷並變得更熱，就有了足夠的能量把三個氦原子核融合成碳。
等到氦也用完了，再次塌陷，再次變得更熱，然後就所氦聚變成氮……接着繼續融合形成氧、硅、鐵。
但這種不可思議的元素生產線不可能永遠持續下去，當融合生成的原子越重，釋放出的能量就越少，所以把氫變成氦，氦變成碳，氮，氧，每次都會少一點能量。
而且，聚變的反應速度越來越快。像我們的太陽一樣的恆星，把氫變成氦需要50億到70億年的時間。當然恆星質量越大，其速度越快。最大的恆星，只需要幾百萬年的時間。
然後，氦到碳燃燒的時間大約是氫燃燒時間的10%，而恆星開始聚變碳後，只需幾百年就燒完了，所以這樣的恆星離死亡不遠了，因為它馬上要開始聚變鐵了。
25倍太陽質量的恆星各聚變時間表
【超新星】
鐵元素對於恆星來說，實際上是一種致命的毒藥，因為在聚變其他元素時，都能產生能量，雖然能量越來越少，但聚變鐵，不但不會產生能量，甚至要吸收能量。
它奪走了那顆恆星維持生命所需的能量，所以當恆星花了一天時間把硅聚變成鐵之後，在核心製造鐵的那一刻，只需1秒左右的時間，恆星就會崩塌、死亡和爆炸。
這次爆炸被稱為超新星，它是是宇宙中最明亮、最劇烈的事件之一。它釋放出的能量足以使太陽在其整個生命周期中所釋放出的能量相形見絀，並且在它有生之年所創造的元素，都被分散到太空中。
爆炸留下的氣體被稱為超新星殘骸，是一個膨脹的氣泡，其中含有氫、以及混合有來自恆星核心的碳、氧、硅和鐵。
超新星殘骸之所以還含有氫，是因為那顆恆星並沒有把所有的氫燃燒殆盡。事實上，它只燃燒了很少部分的氫，它所消耗的是恆星核心的氫，至於恆星外層的大量氫根本就完好無損。
所以大質量的恆星的命運很悲慘，明明有把大量的「食物」卻吃不到，最後只能在「飢餓」中爆炸。
所以，我們造汽車底盤、車身、擋風玻璃和座椅的材料都是由這些恆星以超新星的形式提供給我們的。我們要感謝它們，它們的「犧牲」換來了我們這個世界中的這些元素。
這是著名的蟹狀星雲，早在宋朝我國古人就觀察到這個「客星」
【第二代恆星】
但是，我們此是還造不了汽車，因為還有關鍵部件，如汽車電子產品的銅，尚未製造出來。為了製造這種至關重要的金屬，新一代恆星必須以一種更為奇特的方式死去。
當老一代恆星遺留下來的膨脹的超新星遺迹撞上鄰近的氣體雲時，產生衝擊波的壓力就成了新一代恆星的完美託兒所。
這就是宇宙的循環，恆星生存規律，它們過着自己的這種生活方式：它們死亡、膨脹、爆炸，然後將它們的物質注入氣體雲，接着形成含有較重元素的新恆星。
就這樣，再次重複這個循環。
形成這些第二代恆星的氣體中，充滿了超新星拋出的碳、鋁和鐵。如果第二代恆星也是大質量恆星的話，它們的壽命也同樣短暫，只有區區幾百萬年的壽命。
但它們經歷了不可思議的蛻變，恆星迅速膨脹到原來的100倍，然後冷卻並變成一個紅色的幽靈，一顆第二代恆星已經變成了一顆紅色的超級巨恆星。在擴散的外層，鐵慢慢地轉化為銅，但不是通過聚變。
鐵原子核有26個質子，這是一個很大的電荷，所以它會擊退任何我們試圖射入的質子。那麼，怎樣才能讓更多的質子進入呢？
我們把質子放進去的方法就是欺騙原子核，我們不是用質子去射擊，而是用中子射擊。恆星外層相撞的原子，有時會吐出中子，中子沒有電荷，所以它們不會被鐵星塵中帶正電的質子排斥。
這些中子能夠附着在鐵原子的周圍，原子是一個很小的東西，所以它是一個非常很小的目標，但是在恆星的外層附近有很多的粒子在飛來飛去，如果一個中子偶然擊中一個原子，它就會被粘住，這實際上會使原子核變大。
一個接一個的中子擊中一個原子，然後這個中子實際上可以衰變為一個質子，中子自發地分裂出一個電子，電子被射出，質子被留下，這個過程把鐵變成銅。
科學家稱這種神奇的轉換為「β衰變」。
所以你可以通過捕捉中子，在數千年或數百萬年的過程中，緩慢地積累重元素。最終，紅色超級巨星的核心耗盡燃料，恆星爆炸，將其富含銅的外層炸入太空……
感謝兩代恆星的生死，讓我們可以給汽車裝上銅線。
【中子星合併】
但是我們仍然缺少一些更重的金屬，比如電池用的鉛，電子設備接口所用到的金。宇宙是如何形成這些超大原子的？
在以前大多數科學家都認為，超新星的爆炸足以完成這項工作，所以以前的關於天文方面的書籍，當談到「黃金從哪裡來的」，都會告訴你「黃金是來自超新星的爆炸」。
然而，現在我們知道，不可能在普通恆星中製造金原子，也不能在一顆正在死亡的大質量恆星中製造金原子。
為了讓原子能夠足夠大，我們需要很多的中子，更需要一個真正的災難性事件。
但是如果超新星還不夠強大，那麼宇宙中還有什麼能更強大呢？形成重元素需要大量的中子，所以另一種可能的理論是：最重的元素是在一個雙星系中兩顆中子星的合併中產生的。
中子星是宇宙中最奇怪的天體之一，它們是由巨大恆星的坍塌核心而形成的。
當你把幾倍於太陽質量的東西壓縮成一個只有幾英里寬的球，電子和在其內部飛行的質子結合形成中子，最後形成一個非常稠密的中子球，大約有一個城市那麼大。
中子星密度極高，如果你有一茶匙的中子星物質，那麼將有10億噸質量。如果相鄰的兩個恆星一起死亡，那麼它們留下的兩顆中子星就有可能形成一對旋轉的雙星系。
但這種合作關係註定是要失敗的，兩個非常緊密的星球，戲劇性的相互纏繞在一起。
隨着時間的推移，它們越來越靠近，直到最後它們合併在一起，產生了自大爆炸以來最猛烈的爆炸。這次爆炸被稱為中子星合併。
這場爆炸產生的能量將是毀滅性的，幾乎無法用語言來形容。就好像是吸收了太陽一生之中所釋放的所有能量的總和，然後在一秒鐘之內全部釋放出來。
2013年6月，美國宇航局的斯威夫特衛星發現了附近星系的伽馬射線爆……這是中子星合併的跡象。
通過哈勃太空望遠鏡捕捉伽馬射線爆源的圖像，科學家們證實了，中子星合併產生了它是包括黃金在內的非常重的元素，而且生產的速度非常快，在這一事件中，黃金的產量超過了地球的質量。
中子星碰撞想像圖
【關於新能源汽車】
好了，至此，我們造汽車所用到的元素基本上都齊了。我們可以生產汽車了。
但是，現在新能源汽車越來越多了。既然是新能源汽車，就少不了電池，而電池必不可缺少一種元素：鋰。
鋰是宇宙中最神奇的故事之一，是繼氫和氦之後最輕的元素，只有三個質子和四個中子。
它的輕巧使它成為新能源汽車電池的理想選擇。鋰正迅速成為地球上最受追捧的金屬之一。
但它也是一種宇宙的奇觀。大爆炸產生了鋰的蹤跡，但隨着第一批恆星的形成這種鋰就消失了。鋰不像氫和氦在原子尺度上相當穩定。鋰有點脆弱，它實際上可以被分解成各個部分。
隨着時間的推移，這些第一批恆星製造的那麼一點鋰，不會持續太久，一旦形成，它就被恆星的核心再次摧毀。
我們地球上的鋰，不是由鐵、銅和銥這樣的恆星製成的。鋰不是將較輕的元素熔合在一起，而是在較大的原子被炸開時產生的。
要回答鋰是怎麼來的，簡直就像是從科幻小說中的看到的情節，有點像來自外太空的射線槍，射線槍是超新星，而子彈是宇宙射線。
高速粒子以接近光的速度穿越時空，宇宙射線是亞原子粒子，它們是在超新星爆炸中被加速的高速原子核。此時，如果有另一個原子核擋道，它會撞擊並粉碎它們，而這次撞擊的一塊彈片就是鋰。
這個過程有點像打保齡球，保齡球是宇宙射線，而球瓶是其他原子核，當保齡球撞到球瓶上時，球瓶會向四面八方散開，其中一個球瓶可能就是鋰。
宇宙射線在整個空間星系之間和星系中傳播，所以宇宙射線通過分裂其他元素來形成鋰。實際上是在恆星之間的空間中形成的，今天地球上幾乎所有的鋰都是這樣製造的。
在浩瀚的宇宙中一個原子、一個原子地被製造出來，然後卷進形成太陽系的氣體雲中。於是當太陽系形成，當地球形成後，鋰就來到了我們的地球。
這就是宇宙中製造所有元素的故事。有了這些元素，最終讓我們擁有汽車，真是太神奇了。
當你駕駛汽車時，你真的是在駕駛着一輛從137億年前就開始製造的最終產品汽車。那股「新車」的味道，實際上是有着「舊宇宙」的味道。
