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2018-07-01宇宙中的金屬是怎麼來的？ 宇宙中重金屬元素的起源
583 期
Author 作者
吳孟儒／現任中央研究院物理研究所助研究員，研究 專長為粒子天文物理以及核天文物理。
宇宙元素起源
天上的星星會閃閃發亮與星球內部的核反應有關，核反應在氦融合形成碳、氧、氮、······、鐵之後，即受 到能量守恆限制而無法繼續。其他比鐵更重的元素在宇宙中是如何生成的呢？科學家從某一次的重力波觀測中，找到重金屬生成的決定性證據。
重金屬的開採及使用，在人類文化歷史進步及演變上扮演著無比重要的角色。而貴重金屬（例如：金、銀、鉑等）更由於其稀少及不易氧化的特性，一直是在歷史上，從王宮貴族到普羅大眾，皆為之心醉甚至瘋狂的珍寶。為何這些金屬如此稀少？又是如何從自然界中產生的呢？
爆炸反應及元素生成
隨著知識進步，科學家對宇宙演化以及對核物理的了解 在 20世紀初期至中期間有著突破性的進展，他們認知到 萬物的起源皆起於宇宙大爆炸（Big Bang）後的演化。 其中，各種元素的生成是由核反應的快慢決定。因此，核反應發生時的環境溫度和密度影響了哪些元素可以形成。一般來說溫度及密度愈高，核反應發生的就愈快。在宇宙大爆炸的初始階段，由於宇宙的物質與反物質數量相差很小（小於億分之一）， 正反物質湮滅後，物質密度相對的稀疏，核反應速率很快就因為宇宙膨脹及冷卻而降低。透過精確的宇宙學及核物理理論計算發現，大爆炸時的核反應只能將大約24%的氫核子融合形成質量數為四 的氦核子（氦四）以及其他少量的輕核子（重氫、氦三、鋰六及鋰七）， 因此大部分地球上存在的元素無法在宇宙大爆炸的時期產生。
科學家在同時期也理解到，天空上之所以會看到閃亮發光的恆星，其能量源於恆心內部的核反應，例如：太陽現在正處於氫融合產生氦的階段。不同質量的恆星，在其數百萬至數十億年的演化過程中，能融合形成的元素也不一樣。小質量恆星如太陽，核反應在氦融合形成碳、氧、氮之後，就因為溫度不夠高而停止。對於約大於太陽質量十倍以上的大質量恆星來說，核反應可以一路進行到恆星中心形成一個「鐵核」。由於鐵的核融合是吸熱反應而非放熱反應，大質量恆星內部「鐵核」因此無法繼續融合，失去了能量來源，最後導致重力塌縮形成「中子星」，並在這過程中將塌縮釋放的重力位能，一小部分轉換成驅動恆星爆炸的動能、熱能及光能，形成宇宙中最壯觀的景象之一 ── 重力塌縮型超新星爆炸，並透過爆炸將恆星演化中形成的鐵與比鐵輕的重元素釋放至太空中，與另一型態的「熱核爆炸超新星」一起成為宇宙中比鐵輕元素的主要來源。……【更多內容請閱讀科學月刊第583期】