地球上的碳，無論是昂貴的鉆石、柔軟的石墨、廉價(jià)的煤炭還是組成你我以及所有生命的碳元素，它們都比太陽更悠久。碳誕生于太陽之前的古老恒星，然后隨著某一次超新星爆發(fā)擴(kuò)散到整個(gè)太陽系。

石墨與鉆石，它們都是碳的同素異形體

氦閃產(chǎn)生碳

碳誕生于恒星內(nèi)部。當(dāng)一團(tuán)氫氣和氦氣開始聚集為恒星時(shí)，它是沒有碳的。恒星內(nèi)最開始進(jìn)行的是被稱為質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)的核聚變過程，在這個(gè)過程中，氫的原子核被相互擠壓到一起，經(jīng)過一系列的核聚變反應(yīng)，最終融合成為氦。如果溫度和壓力達(dá)不到進(jìn)一步聚變的條件，氦不會(huì)繼續(xù)發(fā)生聚變反應(yīng)，因?yàn)楹ぴ雍死锏牧Ｗ訑?shù)量更多，要想克服核與核之間因相同電荷所產(chǎn)生的靜電排斥力（庫侖勢(shì)壘）需要更大的能量。

核聚變需要克服原子核間的靜電排斥力

如果恒星不夠大，比較我們的太陽，當(dāng)它核心內(nèi)的氫全部耗盡。在氫轉(zhuǎn)化為氦后，核聚變會(huì)停止，熱量會(huì)停止釋放，恒星內(nèi)外巨大的壓力差會(huì)使得外部氣體急劇坍縮，促使太陽核心的氦被強(qiáng)烈壓縮，溫度上升到10?K，發(fā)生熱失控，這就是“氦閃”，電影《流浪地球》就是基于這個(gè)事件構(gòu)建的故事。

三重α過程產(chǎn)生碳

氦閃會(huì)在太陽內(nèi)部產(chǎn)生大量的碳，這個(gè)過程被稱為恒星中的“三重α過程”。在幾分鐘的時(shí)間內(nèi)，占恒星質(zhì)量40%的α粒子（氦-4的核）先是被融合為鈹-8，緊接著鈹又與另一些α粒子聚合為碳-12。由于這個(gè)過程極其短促，太陽爆發(fā)出的光芒會(huì)瞬間照亮整個(gè)銀河系，之后的太陽歸于沉寂，最終變成一顆白矮星。

鉆石星球

白矮星中心聚集了大量碳，如果條件合適，這些碳會(huì)被擠壓在一起，并在冷卻后形成一顆極其巨大的鉆石內(nèi)核。天文學(xué)家們認(rèn)為距離地球大約50光年一顆名為“露西”的編號(hào)為BPM 37093的白矮星內(nèi)部有一個(gè)質(zhì)量超過5×102?千克的鉆石內(nèi)核。要知道地球的質(zhì)量?jī)H有5.965×102?千克，這顆大鉆石比地球要重近10000倍！

“露西”的巨鉆

如果恒星足夠大，在它的內(nèi)部可以比較容易生成碳。這是因?yàn)楦蟮暮阈莾?nèi)部有更大的壓力和更高的溫度，它可以很容易地克服氦原子核的庫倫勢(shì)壘，不需要發(fā)生氦閃就能產(chǎn)生“三重α過程”，進(jìn)而將氦-4融合為碳-12。

CNO循環(huán)

在大質(zhì)量恒星中，有一個(gè)被稱為“CNO循環(huán)”的過程。這是在碳-氮-氧三種元素間融合反應(yīng)的催化循環(huán)過程，它在大質(zhì)量恒星內(nèi)部聚變反應(yīng)中占主導(dǎo)地位，如果太陽的質(zhì)量比現(xiàn)在大30%，太陽內(nèi)部也能形成“CNO循環(huán)”。

CNO循環(huán)

恒星內(nèi)部CNO循環(huán)有許多種方式，總體上是質(zhì)子不斷地推動(dòng)碳-氮-氧三種元素同位素之間的相互轉(zhuǎn)換，在此過程中釋放大量的熱、伽馬光子和中微子，最終形成氦。與此同時(shí)，CNO循環(huán)也將恒星中碳-12與碳-13核的比率推動(dòng)到3.5:1。

碳燃燒

在大質(zhì)量恒星內(nèi)部，碳往往并不是最終的產(chǎn)物，它有很多的機(jī)會(huì)聚變形成更重的元素，這個(gè)過程被稱為“碳燃燒”。請(qǐng)注意，這里的燃燒并不是指碳在地球表面與氧氣反應(yīng)生成一氧化碳或二氧化碳的氧化過程，而是在恒星內(nèi)部的聚變過程。

在大質(zhì)量恒星中，碳燃燒產(chǎn)生更重的元素

碳在恒星內(nèi)部經(jīng)常會(huì)發(fā)生以下的聚變反應(yīng)：

12C + 12C → 2?Ne + ?He + 4.617MeV

12C + 12C → 23Na + 1H + 2.241MeV

12C + 12C → 23Mg + 1n - 2.599MeV

或者：

12C + 12C → 2?Mg + γ + 13.933MeV

12C + 12C → 1?O + 2 ?He - 0.113MeV

由上面的聚變反應(yīng)過程我們可以看出，碳燃燒的最終結(jié)果主要是氧、氖、鈉和鎂的混合物，恒星中的這些物質(zhì)的產(chǎn)生有碳的功勞。

碳爆炸與碳閃

碳誕生于恒星內(nèi)部，它是怎么來到地球上的？這需要談一談碳爆炸和碳閃。

前面我們提到了白矮星“露西”，它的中心有一顆巨大的鉆石，事實(shí)上，大部分的白矮星主要都是由碳和氧構(gòu)成的，它們是中低質(zhì)量恒星（比如我們的太陽）的殘余。有一些白矮星慢慢冷卻，最終變?yōu)楹诎牵硪恍﹦t有可能在冷卻之前就與附近的恒星或白矮星相互吸引發(fā)生兼并。

恒星兼并

當(dāng)白矮星與其它恒星或白矮星兼并時(shí)，迅速增加的質(zhì)量突破錢德拉塞卡極限（超過1.4倍太陽質(zhì)量）時(shí)，將導(dǎo)致白矮星內(nèi)部的碳瞬間發(fā)生聚變反應(yīng)，這個(gè)失控的熱核過程直接促使新恒星的碳內(nèi)核劇烈膨脹并發(fā)生爆炸，這種碳爆炸也被稱為Ia型超新星爆發(fā)。超新星爆發(fā)所產(chǎn)生的沖擊波會(huì)將包括大量碳在內(nèi)的各種物質(zhì)以20000km/s（光速的6%）的速度拋向太空。

超新星爆發(fā)

在太陽質(zhì)量8~11倍大小范圍內(nèi)的恒星中，碳-氧核心處于退化狀態(tài)，這時(shí)候恒星容易發(fā)生“碳閃”。僅僅幾毫秒的時(shí)間，恒星內(nèi)核的碳層被點(diǎn)燃并發(fā)生爆炸，強(qiáng)烈的恒星風(fēng)吹散外圍所有物質(zhì)，也包括大量沒有參與反應(yīng)的碳，形成一個(gè)行星狀星云的殼，恒星殘骸中心只留下一個(gè)大約1.1倍太陽質(zhì)量的O-Ne-Na-Mg白矮星核心。

總結(jié)

我們的太陽系誕生于前一次超新星爆發(fā)所形成的星云，因此在包括地球在內(nèi)的太陽系中，廣泛分布著豐富的碳元素以及碳的各種化合物。碳是宇宙中繼氫、氦和氧之后第四豐富的元素，這與碳在恒星中誕生的方式有密切的關(guān)系。