超新星变成中子星还是黑洞（超新星爆发和中子星合并）

我们知道元素来自恒星，质量越大的恒星其核聚变也剧烈，能生成更重的元素。那说起比铁更重的元素形成，我们就要寻找宇宙中质量最大的恒星，今天我们就说下，超新星爆发和中子星合并是如何形成比铁更重的元素？

宇宙中那些寿命最短、最亮、最蓝恒星，不但制造着比锂更重的元素，而且也是我们对那些特别重的元素寻本溯源之处。这些恒星天生又热又亮，质量也大，不仅包括全部O型星，也包括B型星中质量最大的那部分。像所有质量的恒星一样，在这些恒星的核心区内，最开始发生的也是氢聚变为氦的活动。

由于质量太大，它们消耗反应材料的速度和数量都很惊人，如已知质量最大的 O型恒星R136a1（这个编号是它2010年被发现时赋予的），其质量为太阳的265倍，发光能力为太阳的870万倍，表面温度亦达约53000 摄氏度，是太阳的8倍，因此其寿命会短到仅有100万至200万年，它会像那些比它轻些的恒星一样，很快耗尽自己核心里的氢，到那时，它剩余的氢将在其核心区的外层继续“燃烧”，导致星体更外层的物质膨胀为特大号的红巨星甚至蓝超巨星，同时，其内核会冷却并坍缩，开始将氦聚变为碳。

说到这里，好像这些大质量恒星的行为与类太阳恒星并没有太大差别，但其实有一个重要差别在于：它们的寿命短些，所以死亡进程快些。其消耗氢的阶段仅有几十万到一百万年，然后跟其他恒星类似，其核心逐渐被碳、氧，以及氖、镁、硅等元素几乎填满。其核心中最深的部分将因缺乏氦而坍缩，剩下的氦则在核心的外层继续反应，而氢位于更外层。

这时，星体的大质量提供的极高温度使得碳聚变开始发生。与氢的聚变可以持续数百万年，氦的聚变可以持续数十万年相比，碳聚变的速率更快一些，并使核心区变得更加致密，进而依次开始以氖、镁，最终是硅作为聚变材料。这样，星体会形成一种类似洋葱的结构，越靠里的层次，消耗的就是越重的元素，当然温度也就越高。

由于越重、越热的恒星消耗反应材料越快、寿命越短，它生成越来越重的元素的进程也会因需要越来越高的温度而变得越发迅速。相对于碳聚变的阶段可能持续一千年左右，硅聚变的阶段只会持续数分钟，它把星体最中心处的元素变成了铁、镍和钴——这三种原子可是宇宙中最稳定的。到这里为止，我们谈论的每种核融合反应的产物，都来自反应参与物的原子核之间更为紧密的结合，其反应过程也都是释放能量的过程。

注意，从铁开始，理论上也还存在产生更重元素的反应，但是，此后的反应产物，其材料元素之间的结合就不如此前的那么紧密了，因此铁的聚变以及此后更重的聚变都不再是释放能量的过程了，而是要吸收能量。所以，当大质量恒星的核心已经由铁、镍和钴构筑起来时，乍一想它会变得僵化和凝滞，不再继续发生反应。

但实际上此时星体的核心区还是有足够能量去支持铁元素的聚变，只不过这些进一步的反应会让星体付出惨痛的代价。铁开始聚变后，星体核心的温度会迅猛下降，导致环境压力减弱，进而让核心物质在自身重力的作用下坍缩。这将导致反应链失控，并最终走向灾变——核心越坍缩，铁聚变率越高，压力下降就越快，核心就更快地坍缩……只消几秒钟的时间，星体核心就会缩小到物质所能被压缩的极限，此时以下几个情况会同时爆发：

• 失控的核反应在制造出大量重元素的同时，也生成了许多自由中子（以及中微子）。

• 星核的外层会在已经最小化的核心周围“弹动”，将许多能量传递至星体的更外层。

• 大量能量的突然到来，既令外层的核聚变加快，也令外层物质本身振动，而这正是超新星爆发事件的第一个阶段！

灾变的结果，就是星体最核心的区域在崩溃和衰败状态中终结。当然核心也会残存下来：如果恒星质量不是很大，它可能变成中子星——那是一个直径仅约10千米，重量却跟太阳差不多的固体星球，完全由中子构成；如果质量很大的话，则残骸将是一个黑洞！

但是，剩下的那些包含着从氢直到铁、镍、钴等各种元素的外层物质会怎么样呢?

首先，它们会经历剧烈的反应过程，生成周期表上的许多种中间元素。但是，在超新星爆发期间，它们会遇到规模前所未有的“中子雨”的“轰炸”，所以许多中间元素的重量还会继续迅速攀升，移到周期表中更加靠后的位置。这一发生在超新星爆发时的过程叫作“r过程” （r即“快”，该过程全称为“快中子捕获过程”），它可以产生出地球上能见到但此前我们没提到过的所有种类的天然元素，其中最重的可以是铀、钚乃至锔。

它甚至还能产生某些我们只在实验室里造出来过的元素！比起行星状星云，超新星遗迹能把大部分物质归还给宇宙，用于形成下一代的恒星，后者的成分表里将会拥有许多很重的元素。而中子星的合并所释放的高能中子，也会发生快中子捕获过程，形成元素周期表中所有的重元素。

每当一个新的星团诞生时，其中会有略多于千分之一的成员星最终能变成上述的超新星。作为宇宙中质量最大的一类单个星体，它们承担着光荣的任务，那就是为星际物质增添比碳更重的各种元素。在我们的太阳系诞生之前，已经有许多代恒星诞生然后毁灭了，是它们为我们这个世界提供了足够多的重元素。

此时，也还有新的恒星准备诞生，这些未来的恒星将比太阳更加富含各种重元素。想一下你的身体系统，其中从肌肉里的碳到肺叶中的氧，从骨骼里的钙到血液里的铁，你所用以生存的每一种较重的元素，都来自那些已经以超新星的剧烈形式宣告终结的恒星。这些原子都在超新星爆发后被抛向宇宙空间，然后参与了新一代恒星的构建。

经过持续几十亿年的、来自数十亿颗死亡恒星的积累，太阳和属于它的行星系统才得以问世。如果没有较轻的原子，没有恒星内部发生的各种核反应，如今宇宙中的各种重元素就没有原始材料和生成机制。我们已经真切地认识到，当今人类世界的一切，都是此前默默发生的无数这类事件的结果。