1957年，一篇長達108頁的論文問世。論文詳細探討了元素是如何在恆星生命週期的不同階段形成的，解釋了氫轉化為氦的核合成過程，並擴展到了碳、氧、硅、硫、氬、鈣直到鐵等重元素的生成。它告訴我們，我們生活的這個世界中的許多元素都誕生於恆星中。正如卡爾·薩根所說，“宇宙就在我們的身體中，我們都是星塵”。
這篇題為《恆星中的元素合成》的論文成了化學元素的宇宙起源的奠基性研究，人們常以四位論文作者（伯比奇夫婦、福勒與霍伊爾）的姓氏開頭字母將它簡稱為
B²FH。這四位科學家還證明了，超新星爆發時的快中子捕獲過程創造了比鐵更重的元素，從而將恆星的組成進一步擴展到金、鉑和鈾等元素。
這篇開創性的論文經常被稱為B²FH，圖中顯示了在恆星中的元素合成的核過程。| 圖片來源：E. M. Burbidge et al. / Reviews of Modern Physics Vol. 29, No. 4, P. 547 (1957) / American Physical Society
簡單來說，宇宙中所有氫元素都是從宇宙大爆炸中產生的。大爆炸同樣製造了氦和少量鋰。這些就是恆星製作“元素料理”的“原材料”。恆星可以被想象成一個巨大的“高壓鍋”，新的元素在其中不斷生成。創造這些元素的反應也提供了能量，使恆星能在數十億年內發光發熱。隨著恆星年齡的增長，它們的內部溫度不斷升高，隨之產生越來越重的元素。（更多有關元素的宇宙起源介紹，詳見《來自________的你》以及《1、2、3……118》。）
質量決定了哪些元素會被鍛造出來，在每顆恆星生命的最後時刻，這些元素會被釋放到星系中。比如，如果是質量非常大的恆星，元素可能會被爆炸性地釋出，如果是和太陽質量差不多的恆星，這些元素則會密集地流出，類似太陽風那樣。
這張元素週期表展現了元素的宇宙起源，不同色塊的面積代表不同起源所佔的比例。| 圖片設計：雯雯子；參考素材：NASA
隨著人們對元素的宇宙起源的認識，一張多彩的元素週期表逐步完善。但近期的一項新研究似乎有意改寫這份結果。在一項發表於《天體物理學期刊》的研究對宇宙演化模型提出了新挑戰。新研究還生成了一張看起來不一樣的“新版本”元素週期表，更詳細展示了從碳到鈾等自然形成的元素的恆星起源。
新的研究首次根據第一性原理計算出了從碳到鈾的所有自然元素的恆星起源。研究人員利用到了理論上的核合成產量以及所有化學富集來源的事件概率，並在先前研究的基礎上改進，更詳細地計算了恆星質量、年齡和排列在元素形成中的相對作用。
這張元素週期表展現了元素的宇宙起源隨時間的變化情況。在每個元素的小格中，橫軸代表時間（從大爆炸到現在的138億年），縱軸代表相對太陽的丰度。| 圖片來源：C. Kobayashi (2020)
研究的第一作者小林千晶（Chiaki Kobayashi）介紹，幾乎沒有任何一種元素僅僅是通過一種恆星形成的。比如，一部分碳元素是由垂死的小質量恆星生成的，而另一部分則來自超新星。對鐵來說，一部分來自大質量恆星形成的普通超新星，但還有一部分則需要另一種宇宙過程，被稱為Ia型超新星，它是在低質量恆星的雙星系統中產生的。
此外，在宇宙中，受到引力束縛的一對大質量恆星可以轉變成中子星，中子星是恆星燃燒殆盡後留下的超高密度殘骸。當這些中子星發生併合時，碰撞會產生自然界中最重的那些元素，比如我們熟悉的金。長期以來，理論認為，在比鐵元素更重的元素中，有半數是在中子星碰撞併合時形成的。直到2017年人們首次觀測到了中子星併合事件，理論才得到證實。
但新的模型顯示，這些來源相加後的結果卻“對不上”。尤其是，研究人員發現，中子星的作用可能被大大高估了。即使是對中子星併合頻率最樂觀的估計，似乎也沒有足夠多的碰撞來解釋這些元素在今天宇宙中的丰度。最有代表性的結果之一就是，模型計算得出的金元素的丰度遠低於觀測的數據。
此外，其他一些元素的模擬結果也與實際觀測產生了出入，比如，與觀測結果相比模型中的銀“產量”過高。這些結果都可能改變目前公認的宇宙演化模型，尤其是我們對重元素生成的認識。
研究人員認為，重元素的生成或許需要一種截然不同的恆星現象，我們或許需要確認一種新的恆星爆發或者核反應。研究作者在採訪中提到，一些重元素的主要來源很可能是一種極不尋常的超新星，它在坍縮的同時旋轉得非常快，並且會產生強磁場。
他們同時表示，未來的研究也可能會發現，中子星併合比我們目前認為的更為頻繁。但這都需要進一步的探索以及更多數據支持。
參與研究的Maria Lugaro博士也相信，“宇宙黃金失蹤”的謎團可能在不久的將來就能被解開。因為目前全世界許多核研究機構都在研究與中子星併合有關的稀有原子核。這些原子核的性質尚不清楚，但它們在很大程度上控制著重元素丰度的產生。“黃金失蹤”的天體物理問題，或許可以通過核物理實驗來解決。
參考來源：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-09/acoe-eos091320.php
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abae65
封面來源：NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet
