今天的天文每日一图没有星空,只有一张涂了色的化学课表格。但它讲的是你自己。

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图片:NASA 天文每日一图(APOD)· Image Credit: NASA GSFC's SVS · 当日页面 science.nasa.gov/image-article/apod-2026-september-14-where-your-elements-came-from/

今天的 NASA 天文每日一图,一颗星星都没有。

它是一张元素周期表。每一个方格被涂上了颜色,有的格子还被切成好几块、染成好几种色——颜色代表的不是这个元素的性质,而是它的出身:宇宙是在哪种场所、用哪种方式,把这一种原子造出来的。

这张表的科学数据来自俄亥俄州立大学的天文学家 Jennifer Johnson,画成图的是 NASA 戈达德太空飞行中心的科学可视化工作室。今天 APOD 标题叫《Where Your Elements Came From》——你身上的元素,都是从哪儿来的。

那就从你自己开始数。

先数一数你

想象你能把自己身上的原子一个一个拿出来数。

数到最后你会发现,每五个原子里,有三个是氢——准确说是 62.3%。它们来自哪里?来自大爆炸最初的那三分钟。宇宙里没有第二个能大量造氢的地方。那些原子在你身上待了几十年,而在此之前,它们什么也没干,就那么飘了一百三十多亿年。

可如果你不是数个数,而是称重,画面立刻翻了个个儿:氢只占你体重的 10%。剩下九成,是氧、碳、氮、钙、磷——是恒星的产物。

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同一个身体,两种数法,两个完全相反的答案。按个数,你主要是宇宙的第一批产物;按分量,你主要是恒星的骨灰。

宇宙差一点就停在氦上

再说回那最初三分钟。

按粒子数据组(PDG)的评述,大爆炸核合成造出来的只有这么几样:氘、氦-3、氦-4、锂-7,加上没被烧掉的氢。氦-4 的质量占比约 0.245——也就是说,宇宙里的普通物质,大约四分之一是氦,四分之三是氢,其余全是零头。

为什么就停在这儿了?PDG 给的理由很干脆:质量数是 5 和 8 的原子核,没有一个是稳定的。

这是什么意思?造更重的元素,最顺手的路是往氦-4(质量数 4)上再加一个中子或质子,或者让两个氦-4 撞在一起。可是加一个变成 5,撞在一起变成 8——这两级台阶都是空的。造出来的东西瞬间散掉。再加上原子核之间的电斥力,宇宙在最初三分钟之后就熄火了。

整个周期表,差一点就只有前三格。

后来那几十个格子,是恒星一个一个补上的。

碳、氧、铁,以及一句流传很广的错话

碳的诞生方式漂亮得像杂技:三个氦核几乎同时撞在一起,才成一个碳——中间那个由两个氦核凑成的铍-8,只能存在极短的瞬间,第三个氦必须在这一瞬赶到。这条路能走通,靠的是碳核里恰好存在一个能量位置合适的能级。这件事是 1957 年那篇奠基论文里的核心内容之一,那篇论文的四位作者姓氏首字母连起来,天文学家至今叫它 B²FH。

氧紧随其后,是碳再吃一个氦核。氮在 CNO 循环里被当成催化剂一圈圈地转,转着转着就积下来了。

铁的故事,则需要更正一个在中文科普里几乎成了标配的说法。

你大概读到过:“铁来自超新星爆发。”这句话不算错,但少了半句。2020 年一篇系统梳理碳到铀全部元素来源的论文写得很明确:铬、锰、铁、镍、钴、铜、锌这一批铁峰元素,大约有一半来自 Ia 型超新星。

Ia 型超新星不是大质量恒星的坍缩,而是一颗白矮星的热核爆炸——它从伴星那里偷吃物质,吃过了头,把自己整个炸掉。单次爆炸产出的铁大约是 0.6 到 0.7 个太阳质量;而一颗大质量恒星坍缩成超新星,平均只产出约 0.058 个太阳质量的铁,相差十来倍。只不过坍缩型超新星的数量多得多,两边最后打了个平手。

所以,你血里那些让血变红的铁原子,其中大约一半,来自一颗偷吃到撑爆的白矮星。

金子:最著名的那个故事,比你听过的版本要谨慎

APOD 的说明里说,你首饰里的金,很可能来自中子星的碰撞——这类碰撞可能表现为短伽马暴,也可能表现为引力波事件。

这句话背后的科学,值得比通俗版本讲得再准确一点。

2017 年 8 月 17 日,人类第一次同时“听见”和“看见”了两颗中子星并合。两年后,一个团队重新分析那次事件的光谱,在里面认出了一种元素——锶。2019 年那篇《Nature》论文的措辞是:这一发现“确立了中子星并合中存在快中子俘获过程元素的起源”。

请注意:被直接认出来的是锶,不是金。 锶排在第 38 号,属于快中子俘获过程的第一个丰度峰;金排在第 79 号,在第三个峰上。“GW170817 证明了金来自中子星并合”是一句好听但过头的话。

真正把重元素的证认往上推了一大截的,是 2023 年。詹姆斯·韦布空间望远镜在一场伽马暴(GRB 230307A)的余晖里,认出了碲——第 52 号。这次探测的第一作者说过一句很妙的话:门捷列夫写下元素周期表一百五十多年之后,我们终于能开始填上“这些东西到底在哪造的”这最后几个空格了。

而故事还有一层转折:中子星并合并不是唯一的车间。 中子星要先形成、再花上漫长的时间才能螺旋靠近并撞上,这个时钟太慢了,解释不了宇宙早期那些极度贫金属的老恒星身上为什么就已经带着重元素。2019 年有研究提出“坍缩星”可能贡献了八成以上;2021 年另一项工作在一颗极贫金属星身上,找到了与单次“磁旋转超新星”预言吻合的丰度模式。

所以今天这张表上那些代表重元素的颜色,画的不是已经结案的定论,而是一个还在打官司的现场。

铜就是最好的例子。APOD 特意点了它的名:铜的核合成场所“其实并不很清楚,仍是观测与计算研究的课题”。原因之一是铜的原子序数是奇数 29——奇数号元素的产量强烈依赖前身恒星里原本有多少重元素,也就是说,同一类爆炸在宇宙不同年代的产铜量是不一样的。要算准你血管里的那点铜,得先把整个星系的化学演化史算对。

一张图的修订史,就是一门学科的进展史

这个标题的 APOD,不是今天第一次出现。

2016 年 1 月 25 日、2017 年 10 月 24 日、2023 年 1 月 8 日,都用过《Where Your Elements Came From》。前三次用的是维基百科上一位作者根据 Johnson 数据绘制的版本;今天这一次,换成了 NASA 自己的可视化工作室做的新图。

而真正值得看的,是文字的改动。

2016 年那一版里,关于金的那句话是这样收尾的:“……这些碰撞可能表现为短伽马暴。”句号。

2017 年 8 月 17 日,引力波探测器听见了两颗中子星并合。

68 天后,2017 年 10 月 24 日的 APOD 重新登出这张图,同一句话的结尾变成了:“……可能表现为短伽马暴或引力波事件。”

多出来的六个字,是人类刚拿到的一张新证据。此后 2023 年、2026 年两次重刊,这段文字一字未改——因为在那之后,我们再没有拿到能改写这一句的东西。

顺带一提,署名也在演化。2016 年只署了画图的人;2017 年起,多了一行“数据:Jennifer Johnson(俄亥俄州立大学)”。提供科学的那个人,后来被补上了名字。

为什么是今天

今天是 9 月 14 日。十一年前的今天,2015 年 9 月 14 日,人类第一次直接探测到了引力波。

那次事件编号 GW150914,来自两个黑洞的并合。它本身和元素没有关系——黑洞并合不造金子。但正是因为那一天证明了这台仪器真的能听见时空的震动,两年后的 2017 年 8 月,同一套“耳朵”才听见了两颗中子星撞在一起的那一场;也才有了 68 天后,APOD 在这张图的说明里,悄悄加上的那六个字。

同一条因果链的起点,就在十一年前的今天。

中国人在这道题里的位置

要搞清楚天上的恒星怎么造元素,中国的物理学家钻到了四川锦屏山底下 2400 米。

那是目前世界上最深的地下实验室之一。为什么要挖这么深?因为地面上的宇宙射线噪声,会把恒星核反应那种极其微弱的信号整个淹掉。为了听懂星星,得先躲开天空。

在那里运行的“锦屏深地核天体物理实验”(JUNA),由中国原子能科学研究院牵头,把恒星内部才会发生的核反应,在地下一个一个地重做一遍、量一遍。2022 年 10 月,这个团队在《Nature》上发表了氟-19 俘获质子生成氖-20 这个反应的直接测量——把测量能量一路压到 186 千电子伏,并找到了一个关键的 225 千电子伏共振。论文由此提出了一条不一样的路径,来解释宇宙第一代恒星里的钙是怎么来的。参与单位里有北京师范大学、中科院近代物理研究所、中国原子能科学研究院、深圳大学和南方科技大学。

周期表上第 20 号格子的那一块颜色,有中国的一份。

另一件事发生在地面上。2018 年 8 月,国家天文台的团队用河北兴隆的郭守敬望远镜(LAMOST),找到了迄今已知锂含量最高的一颗巨星——比普通巨星高出三千倍。锂这个元素本来就是周期表上的怪胎:一部分来自大爆炸,一部分来自恒星,可麻烦在于,恒星内部通常是销毁锂而不是制造锂。抓到一颗富锂到离谱的巨星,等于抓了个现行:这颗“凶手”怎么反倒在造锂?

第 3 号格子上那个问号,是中国的望远镜打上去的。


资料:NASA 天文每日一图 2026-09-14 当日页面与 API、NASA 戈达德科学可视化工作室条目 13873、Jennifer Johnson《Origin of the Elements in the Solar System》(SDSS 科学博客)、粒子数据组《Review of Particle Physics》大爆炸核合成评述、Burbidge、Burbidge、Fowler & Hoyle 1957《Reviews of Modern Physics》29:547、Kobayashi、Karakas & Lugaro 2020《ApJ》900:179、Weinberg 等 2024 恒星产额论文、Watson 等 2019《Nature》574:497、Levan 等 2023《Nature》与欧洲空间局新闻稿、Siegel 等 2019《Nature》569:241、Yong 等 2021《Nature》595:223、Zhang、He 等 2022《Nature》610(JUNA 氟-19 测量)、中科院国家天文台 2018 年 LAMOST 富锂巨星新闻稿、洛斯阿拉莫斯国家实验室元素周期表锝条目、Merrill 1952《ApJ》116:21、《Astronomy & Astrophysics》693 (2024) 天鹅座 χ 星毫米波观测、AAVSO 国际变星索引、LIGO 加州理工官方 GW150914 页面、美国国家标准局 Handbook 138 人体元素组成