宇宙中的基本元素如何形成？
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你是否知道，我们身体肌肉里的碳，骨骼中的钙，血液里的铁，DNA中的磷……以及周边的一切都是来自太空的独特元素。要想了解这些元素，必须知道元素是如何形成的。
今天，学界普遍认同的观点是，我们的宇宙源于138亿年前的大爆炸（Big Bang）。元素的形成是恒星演化（Evolution of stars）的结果。大爆炸学说的框架是由美籍俄裔物理学家伽莫夫（George Gamow）在上世纪40年代提出的，英国天文学家霍伊尔（Fred Hoyle）提出了恒星演化的理论。
一、宇宙中轻元素（氢、氦）的形成
如果大爆炸理论正确，那么大爆炸后空间迅速膨胀，物质密度和温度都迅速下降。当宇宙温度降到10MeV以下（大约几百亿度），质子和中子开始在空间中大量地产生。所谓氢原子核，其实就是质子。从这个意义上讲，宇宙在这个时候已经形成了最轻的原子。
随着宇宙膨胀，温度进一步降低，大爆炸1秒钟后，质子与中子的相互转化停止了，两种基本粒子的数量之比就冻结在了7:1这个比例上，质子多、中子少。自由的中子是不稳定的，它很快就会衰变一半，变成一个质子和一个电子。如果中子全部衰变了，宇宙中就全是氢元素了。
但宇宙膨胀非常快，100多秒后宇宙温度就下降10亿度，此时一个质子和一个中子形成氢的同位素：氘。在原子核里，中子是稳定的，所以大爆炸中产生的中子都在原子核里保全下来了。氘原子可以通过多种渠道最终形成氦。到宇宙年龄为3分钟时，几乎所有的中子都到了氦里面。
氦原子核的质量是一个氢原子核的4倍。前面提到宇宙质子和中子的比例是7:1，可以推算出这个时候氢和氦的质量比例是3:1，也就是宇宙元素的质量组成中75%是氢，25%是氦。在核合成过程中还形成了极其少量的锂的同位素。
到宇宙年龄为一小时后，核合成已经停止，宇宙中元素组成是75%的氢、25%的氦和非常少的锂。
随着宇宙膨胀，引力变得慢慢重要起来。空间中密度稍微高一些的地方会吸引更多的气态物质聚集。宇宙中最初的元素——氢和氦就这样慢慢地聚集起来，形成一个个气体云。气体云越聚越大，其中心密度和温度会再次升高，最终气体云中心最密集的地方温度达到原子核聚变反应的要求。
最早进行核聚变反应的是氢元素，4个氢原子核聚变反应生成1个氦原子核，并伴随能量的释放。核聚变反应点燃了致密的云核，恒星就此诞生。
二、宇宙中重元素的形成
恒星演化过程中，较轻的元素可以合成较重的元素。小质量的恒星（比如太阳）的核心处可以产生碳元素和氧元素；更重的元素需要在大质量恒星（至少是太阳的9倍）的演化中形成。
大质量恒星会迅速燃烧自己的生命、剧烈地爆发。其死亡会将已经形成的重元素带入星际气体中，并帮助较小质量恒星的形成。
恒星首次将氢聚变为氦，氦在下一轮聚变反应中变成更重的元素，先是碳，然后是氧。由于引力对核心的挤压加剧，结果就是，碳氧的密度和温度比太阳大得多，足以引发又一轮的碳核聚变反应。
在大约1千年（具体取决于恒星质量的大小）的时间里，碳转化为氖、镁、钠，以及更多的氧。
一旦碳被耗尽，恒星的核心便再次坍缩。其密度和温度骤升至更高，足以将氖转化为镁。几年后大多数的氖也消耗完毕，恒星的核心充斥着氧和镁。氧又被转化为硅以及少量的硫和磷。
恒星核心耗尽氧后再次坍缩，温度再次升高，然后在很短时间里，硅聚变成多种重元素，包括氩、钙、钛、铬、铁和镍。
随着硅被耗尽，恒星的核能失去了来源，因为铁镍核不能自发聚变成更重的元素。顷刻间，恒星核心坍缩为一颗中子星，外壳（恒星的大部分质量集中于此）将会以爆破的姿态进入太空，这就是令人恐怖的超新星爆发（supernova explosion）。如果我们把这颗恒星切开，看起来就像一个洋葱。其核心是铁和镍，但不是固体金属的形式，而是气体，并处于极高的密度和温度水平。包围在铁镍核外的是硅和硫的壳层，往外是氧、氖和镁的壳层。再往外依次是氧、碳、氦和氢的壳层。虽然此时大部分的氢已经被吹到了太空中，但在壳层之间，低温的核聚变反应仍然在继续。这颗恒星“洋葱”充满了核能。
三、科学给我们讲的故事
被星风吹到太空中，在行星状星云里，以及通过超新星爆发，元素以这些方式进入星际空间。小部分重元素，比如铜、锌、金、银、铂、铀等在超新星爆发后或者在中子星的灾难性碰撞中被创造出来。
开头提到的我们的身体，包含了许多的重元素，比如，碳、氧、氮、钠、钙、磷、镁和铁等。所有这些元素在宇宙诞生至今的138亿年中、在恒星的内部被“制造”出来。它们只占宇宙原子总质量的约1%，但却影响重大。
这便是科学给我们讲的元素形成的美妙故事。我们周围的一切，包括人类自身，都是遥远的恒星核聚变形成的。我们与恒星紧密相连，并与宇宙同在。
