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觀察你身邊的某個物體，隨便什么物體。它可以是你正用來閱讀這篇文章的電子設(shè)備，也可以是一個茶杯、一張桌子，或是你腳下的地板。你要做的是盡可能仔細地觀察它。你可能會察覺到塑料里的凸起，或者木紋里的線條、小裂縫和一些瑕疵。或許，你可以開始看到材料是如何構(gòu)成的，但無論你觀察得多仔細，都無法看到最小的組成部分——分子、原子、質(zhì)子和中子、夸克和電子。我們生活在一個被這些相同的粒子包圍的世界之中。但你可曾好奇過，這些粒子究竟從何而來？ 宇宙是善于循環(huán)利用的，我們周圍的一切事物都來自曾經(jīng)出現(xiàn)過的某些東西，這在任何尺度上都是如此。例如，你的衣服是由各種各樣的纖維制成的，而如果追根溯源，你會發(fā)現(xiàn)這些纖維都是由植物和動物產(chǎn)生的。所有的這些材料都是由碳氫化合物——也就是含有氫和碳的分子構(gòu)成的。從某種意義上說，它們是由生物通過結(jié)合空氣中的碳和水中的氫而創(chuàng)造出來的。但氫和碳很可能在地球形成之時就已經(jīng)存在于此了。那它們是如何來到這里的？這是個說來話長，但又非常有趣的故事，它跨越了整個宇宙的歷史，讓我們從頭開始說起。 從基本粒子到巨大星系 我們都聽說過，宇宙始于大約138億年前的大爆炸。在大爆炸之后，宇宙中主要充滿了光子和中微子，還有少量能與光子相互作用的電子，以及一些很快就會形成質(zhì)子和中子的基本粒子。 在幾分鐘的時間內(nèi)，宇宙的溫度和密度高到足以讓質(zhì)子和中子克服它們自身的斥力而聚變成原子核，形成氫、氦、鋰，以及一些只能短暫存在的不穩(wěn)定同位素。我們可以在最遙遠（也最古老）的星系、類星體和氣體云中測量這些早期元素的含量，為大爆炸理論的正確性提供重要的證據(jù)。 這時，宇宙的大小只有幾光年寬，但它還不是透明的——光子只能移動非常短的距離，因為它們很快就會被這個或那個粒子吸收。由于當(dāng)時的溫度太高，電子無法與原子核結(jié)合，因此宇宙中充滿了帶正電的原子核和帶負電的電子，即等離子體。所有的這些帶電粒子密集地聚集在一起，阻礙了光子的自由運動。 直到大爆炸的38萬年后，宇宙膨脹到足以使物質(zhì)冷卻，等離子體的溫度才下降到能使電子、質(zhì)子和原子核穩(wěn)定地結(jié)合在一起。這時，帶電粒子造成的混亂才被清除，光終于得以自由地在宇宙中穿行。我們在宇宙微波背景（CMB）中看到了這方面的證據(jù)。 無論從哪個角度看，我們都能看到空間中充滿了微波輻射的低頻背景。這是宇宙變得透明的那一刻所留下的余輝。透過射電望遠鏡與微波望遠鏡，科學(xué)家可以探測宇宙微波背景，捕捉到這些在宇宙中不受阻礙地穿行了約138億年的光子。 宇宙變得透明的時刻。（圖/原理） 在宇宙變得透明的那一刻，它突然間充滿了那些我們所熟知的物質(zhì)——原子核（質(zhì)子和中子）與環(huán)繞著它的電子構(gòu)成了總電荷為零的原子。由于沒有電荷斥力讓它們保持距離，在不同位置上物質(zhì)密度的微小差異讓它們開始因自身的引力而聚集在一起。第一個大尺度結(jié)構(gòu)開始形成。 一開始，物質(zhì)聚集在一起形成較為密集的塊狀，繼而形成分子云。然后，分子云再進一步地坍縮，終于在宇宙誕生后不到2.5億年時，達到一個臨界密度。這時云內(nèi)的氫開始發(fā)生聚變，啟動了第一代恒星，這些恒星照亮了宇宙，它們推開周圍多余的物質(zhì)，成為原始的氫氣迷霧中閃爍著熠熠星光的島嶼。在第一代恒星形成后，它們開始聚集成越來越大的群，最終形成了小的矮星系。接著，這些矮星系會合并在一起，形成越來越大的星系，并最終演化成為今天我們在宇宙中所看到的巨大星系。我們今天所知的并觀測到的所有結(jié)構(gòu)都是由兩種東西驅(qū)動的——引力和恒星，前者把物質(zhì)聚集在一起，后者釋放星光照亮了宇宙。當(dāng)恒星處于它一生之中最長的時期時，它被稱為主序星。它是恒星生命中經(jīng)歷的最平凡時期，在這段時期，恒星非常穩(wěn)定，不會出現(xiàn)太大的變化。在恒星的核心，核聚變通過一系列質(zhì)子-質(zhì)子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，將氫變成氦。這個過程能持續(xù)多久取決于恒星的大小，只要核心的氫足夠多，這個過程就能一直持續(xù)。恒星大多由氫構(gòu)成，所以有足夠多的燃料來維持很長一段時間的核聚變。對于像太陽這樣的中型（G型）恒星來說，這個過程會持續(xù)80或90億年，目前我們的太陽已歷經(jīng)了一半的時間。質(zhì)量比太陽更大的恒星壽命更短，因為大的恒星更加明亮，消耗燃料的速率也更快。比太陽小的恒星壽命會長得多：最小的恒星能持續(xù)燃燒數(shù)萬億年。赫羅圖，它顯示了恒星在不同生命階段時的溫度和光度之間的關(guān)系。圖的中部成對角線分布的是主序星。（圖/ESO） 但最終，恒星內(nèi)的氫會慢慢耗盡，而聚變也會開始減慢。故事開始從這一刻變得有意思起來。當(dāng)聚變?nèi)栽谌缁鹑巛钡剡M行時，由聚變所導(dǎo)致的爆炸會產(chǎn)生一個外向力，這會與導(dǎo)致坍縮的內(nèi)向引力相互抵消。這兩股巨大力量的相互平衡，維持著這顆恒星的主序生命；但一旦恒星的燃料開始耗盡，這種平衡就會遭到破壞。隨著聚變的減慢，引力開始占上風(fēng)，恒星開始坍縮，核心會受到前所未有的壓力。一開始，聚變還會上演一段逆襲——隨著壓力的增加開始聚變出更重的元素，最先將氦轉(zhuǎn)變成碳，然后順著元素周期表轉(zhuǎn)變成越來越重的元素。但這也只能讓這種平衡再維持一陣子。最小的恒星——紅矮星，會以最“祥和的”方式結(jié)束它們的生命。因為它們非常小，所以在它們的一生中，所有的物質(zhì)都會隨著對流而充分混合。這意味著，只要恒星的外層還留有氫，核心中就會不斷地有新的氫供應(yīng)。紅矮星是唯一一種能耗盡其全部氫供應(yīng)的恒星，因為它們能不斷地將新的燃料混合到核心，這就是為何它們的生命周期可以這么長。當(dāng)耗盡所有燃料時，紅矮星最終會保持穩(wěn)定，變成一顆白矮星——一顆致密的、在核心處沒有聚變發(fā)生的死亡恒星。在類太陽恒星中，這種更大、更熱的聚變會將物質(zhì)帶向相反的方向，并開始加熱剛好在核心外的物質(zhì)層。這些物質(zhì)層最終會變得足夠熱，從而像在核心中那樣開始聚變。這為恒星的膨脹、冷卻、變紅（紅色比藍色溫度更低）提供了一種額外的力。恒星的外層會膨脹得非常大，吞噬掉任何靠近它的行星——這也將是太陽、地球和我們太陽系內(nèi)的其他行星的命運。最終，一旦恒星聚變了它所可能聚變的最重元素，它的外層就會被推開，只留下致密的核心，成為一顆白矮星，并被稱為行星狀星云的氣體云所包圍。行星狀星云包含了一些形成于恒星內(nèi)部的元素，其物質(zhì)最終會回到星際介質(zhì)，幫助形成一代代新的恒星。而之所以稱之為“行星狀”，是因為通過早期望遠鏡來看，它們看起來與行星相似。恒星的一生：不同質(zhì)量的恒星有著截然不同的命運。（圖/NASA and the Night Sky Network） 對于更大的恒星來說，它們的結(jié)局更加戲劇性。由于引力造成的坍縮效果要強大得多，這些恒星不會推開它們的外層物質(zhì)，而是會不斷收縮。隨著核心中的材料進一步收縮，越來越重的元素得以聚變而成，每次都會讓收縮減慢一段時間，直到新燃料開始殆盡，使得所有的一切都進一步收縮。這個循環(huán)會不斷重復(fù)，直到它突然陷入死胡同。當(dāng)兩個原子聚變在一起時，它們的總質(zhì)量會比單原子時的質(zhì)量之和更小一點點，失去的那部分質(zhì)量就被轉(zhuǎn)化成了能量，并以光子的形式被釋放了出來。但值得注意的是——并不是所有元素都這樣，這只適用于比鐵輕的元素。這就是為什么我們也能通過裂變來產(chǎn)生能量——例如像鈾這樣的元素的裂變。這些元素比鐵重得多，它們的總質(zhì)量實際上略高于它們裂變成的元素的質(zhì)量之和，因此當(dāng)它們裂變時會釋放能量，而聚變時會吸收能量。鐵的出現(xiàn)標(biāo)志著核聚變的“叛變”——它開始從釋放能量變成吸收能量。核結(jié)合能曲線。由聚變和裂變所釋放的能量如何隨原子核的大小而變化。隨著原子核大小的增加，聚變所釋放的能量就更多，直到鐵（Fe）出現(xiàn)，能量釋放達到峰值，隨后釋放的能量開始減少。（圖/維基共享資源） 那么，對于一顆年事已高、正沿著元素周期表逐個聚變出越來越重的元素的大型恒星來說，這意味著什么呢？這意味著它最終會產(chǎn)生鐵。而當(dāng)這一幕發(fā)生時，一切都結(jié)束了。它具有產(chǎn)生鐵原子的能力，但這樣做只會消耗能量而不是釋放能量。一旦恒星開始產(chǎn)生鐵，就再也沒有任何事物可以阻止引力的無情摧毀。核心會在自身的引力下坍縮，沒有什么能夠阻擋這一切發(fā)生。這種不受阻礙的坍縮會形成超新星，其核心坍縮的速度快到足以引發(fā)一場突然的聚變爆發(fā)，并最終變成一顆中子星或一個黑洞。在坍縮和爆炸過程中，正當(dāng)一切開始冷卻，恒星就開始制造宇宙中的重元素。超新星并不是唯一能產(chǎn)生重元素的地方。中子星之間的并合實際上也可以產(chǎn)生重元素。中子星的密度非常大（質(zhì)量略大于太陽，但直徑只有數(shù)千米），當(dāng)兩顆中子星相撞時，會產(chǎn)生一種被稱為千新星的爆發(fā)事件。在千新星過程中，原子核聚變成最重的不穩(wěn)定元素，再衰變成更為穩(wěn)定的元素。元素周期表及元素起源。（圖片素材/珍妮弗·約翰森 & 歐洲航天局、美國國家航空航天局、AAS Nova） 任何比鐵重的東西——珠寶里的黃金、電子設(shè)備中的銅、煙霧探測器里的镅——都產(chǎn)生于巨大的恒星坍縮以及中子星合并的瞬間，然后出現(xiàn)在周圍的物質(zhì)中。超新星和千新星產(chǎn)生了所有的這些物質(zhì)，并將它們拋回宇宙中。用天文學(xué)中略顯神秘晦澀的說法來講，除了氫和氦之外的一切元素都是“金屬”。一顆恒星中的金屬含量（由多少氫和氦以外的物質(zhì)構(gòu)成）被稱為這顆恒星的金屬豐度。每一顆恒星的死亡都會向太空拋射一次金屬，新的恒星會從舊的恒星殘骸中形成。這意味著每一代新的恒星所含有的金屬比例都比上一代高。這是可以通過光譜學(xué)（觀測哪些波長的光被發(fā)射，哪些被吸收）來測量的東西，同時這也是估算恒星年齡的一種方法。金屬豐度低的恒星形成于宇宙生命的更早期，金屬豐度高的恒星則更加年輕。根據(jù)恒星的金屬豐度，天文學(xué)家將它們分成三類：星族I是最年輕、且最富含金屬的恒星；星族II是古老的、只含有少量金屬的恒星；星族III是幾乎不含金屬的恒星——它們是宇宙中的第一代恒星（盡管目前我們還沒有真正的觀測到它們）。第一代恒星和太陽的成分的比較。（圖/STScl） 與早期的恒星相比，后期出現(xiàn)的恒星具有不同的大小和顏色。早期的恒星往往比后來的恒星更大，因此它們的壽命往往更短。它們更大的體型也讓它們比我們想象中的更藍。所有的恒星在開始時都是偏藍的，隨著年齡的增長和溫度的降低，它們會變得越來越紅，但更古老的恒星會因為起始溫度較高，而更長時間的維持偏藍的色調(diào)。太陽并沒有任何特別之處，它屬于星族I，與其他恒星沒有什么不同，它的形成也與其他恒星一樣：由過去的恒星殘留下的氣體和塵埃形成。太陽系中的所有物質(zhì)幾乎都落入了太陽本身——它自身占太陽系總質(zhì)量的99.8%，剩下的形成了行星。當(dāng)太陽開始形成的時候（即當(dāng)氣體云開始坍縮時），角動量守恒使得這些氣體云開始旋轉(zhuǎn)并形成一個被稱為原行星盤的物質(zhì)盤，所有的行星和它們的衛(wèi)星，連同彗星和小行星，以及其他一切都是由此而形成的。由于原行星盤的金屬豐度決定了行星形成時有什么物質(zhì)，所以一顆恒星的金屬豐度能告訴我們?nèi)缃裼心男┛赡艿男行窃趪@恒星運行。一顆金屬豐度較低的恒星周圍不太可能存在太多大的行星。行星需要一個堅固的內(nèi)核才能形成，而塵埃云中的金屬就像是形成新行星的種子。原行星盤會在恒星生命早期劇烈的金牛T階段蒸發(fā)，這一階段有極強的恒星風(fēng)，會將較輕的元素吹離恒星。在這個階段，如果原行星盤的金屬豐度較低，那么它就會蒸發(fā)得更快，留給行星形成的時間也就越短，這些行星也就因此無法變得很大。通過將金屬豐度（光譜）與來自如開普勒望遠鏡等系外行星調(diào)查的結(jié)果進行比較，天文學(xué)家證實了金屬豐度與氣態(tài)巨行星數(shù)量之間的相關(guān)性。開普勒在恒星周圍發(fā)現(xiàn)了一些小的行星，它們的金屬豐度各不相同，但在金屬豐度較低的地方，似乎沒有那么多大的行星。這意味著只有在經(jīng)歷過幾代恒星的存在和消失之后，才可以形成像太陽系這樣的恒星系統(tǒng)。環(huán)繞在年輕的恒星金牛座HL周圍的原行星盤。（圖/ALMA） 太陽系的原行星盤一旦形成，密度上的微小差異會導(dǎo)致其中的一些物質(zhì)開始聚集在，較重的物質(zhì)開始形成巖心，氣體和較輕的固體開始聚集在巖心周圍。這些聚集的塊會相互碰撞、合并，從而聚集更多的零散物質(zhì)，變得越來越大。一開始只是小的石子，再到大一點的卵石，然后成了小行星，再往后就變成了行星。拜金牛T星風(fēng)所賜，在一些離太陽較近的區(qū)域具有更高比例的巖石物質(zhì)，這便是形成像地球和火星這樣的行星的區(qū)域。更遠的地方主要被氫氣和氦氣占據(jù)，這便是氣態(tài)巨行星形成的區(qū)域。
當(dāng)行星形成之后，它們會四處遷移，發(fā)生很多的碰撞——這是一段動蕩的歲月。其實，“行星”一詞的英文“planet”就源于希臘語中的“漂泊者”，早期太陽系中的行星也確實名副其實。這些氣態(tài)巨行星會相互作用，改變彼此的運行軌道，分散那些更小的天體，將大量的小行星拋入太陽系內(nèi)部，引發(fā)了一段被稱為晚期重轟炸期的時期。一些本可存在的行星被拋入太陽，還有一些則被驅(qū)逐出太陽系，流放到了星際空間。我們不知道它們現(xiàn)在在哪——它們已迷失在深邃的太空中，但可以確定的是，它們還在銀河系的某個地方。行星與行星之間的相撞，使得一些行星被摧毀，粉碎成無數(shù)的小碎片。還有一些在相撞后結(jié)合了起來，合并成更大的行星。我們今天所看到都是在這場混亂中有幸存的行星，是被幸運之神眷顧的那幾個。我們的地球，起初是一個非常炎熱、干燥、覆蓋著熔巖的星球。出現(xiàn)在晚期重轟炸期早期的那些高頻率、高強度的撞擊，觸發(fā)了火山活動，使得地球表面被熔漿覆蓋了數(shù)億年。最終，在更廣闊的太陽系里，事物慢慢趨于平靜，盡管大大小小的碰撞直今仍可能發(fā)生（比如流星和導(dǎo)致恐龍滅絕的撞擊事件），但那些特大的撞擊事件變得不那么頻繁。當(dāng)碰撞減緩時，地球開始冷卻。這時，地球上的故事開始變得有趣。隨著物質(zhì)冷卻，海洋開始得以形成。雖然水的起源還有待商榷，但無論來自何方，水從大氣中凝結(jié)到海洋里，為生命的形成開辟了道路。巖石、空氣、水、你的身體……地球上一切的一切，都是由曾屬于恒星的某一部分物質(zhì)所構(gòu)成的。46億年前，我們的太陽從死亡恒星的殘骸物質(zhì)中誕生。1億多年后，地球也誕生了。如此看來，我們的確都是由星塵構(gòu)成的。我們體內(nèi)的原子是某個早在地球存在之前就已經(jīng)死亡的恒星的一部分。我們很難弄清宇宙的大小，我們很容易把宇宙想象成是離我們很遙遠的某種東西，某種與我們并無關(guān)系的事物，但這其實是種錯覺。在宇宙中，沒有這里和那里之分，一切都是相同的。同樣的物理定律、同樣的原子、同樣的宇宙。正如我們是宇宙的一部分，而宇宙也在我們的生命中。參考來源： https://www./wgbh/aso/databank/entries/dp65co.html https://www./public/images/eso0728c/ https://www.ast./public/ask/2451 https://www./23772-red-dwarf-stars.html https://www./123516/why-do-red-dwarfs-live-so-long/ https:///a/gw170817-kilonova-what-happened-next/ http://www.astronomy./~jaj/nucleo/ http://www./news/2015/06/the-very-large-telescope-discovers-brightest-distant-galaxy-and-signs-of-population-iii-stars http://www./news-exclusive/when-stellar-metallicity-sparks-planet-formation/ https:///the-solar-system-has-a-lot-of-water/
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