宇宙大爆炸的3分鐘里產(chǎn)生了大量的氫、一些氦和極其微量的鋰，隨后這波大爆炸“濃湯”開始冷卻，直到2億年時(shí)宇宙中才出現(xiàn)了第一代恒星，它們開始制造新的化學(xué)元素，最終形成了五彩斑斕的世界。來(lái)自國(guó)家天文臺(tái)的李海寧副研究員，她的工作就是去尋找130億年前最古老的恒星，破解它們身上攜帶的宇宙生命密碼。
李海寧
中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副研究員
以下內(nèi)容為李海寧演講實(shí)錄：
大家好！我是來(lái)自國(guó)家天文臺(tái)的李海寧。今天我向大家講述的是天上的星星告訴我們的關(guān)于遙遠(yuǎn)星光的秘密，以及生命物質(zhì)起源的故事。
像每一個(gè)媽媽一樣，我心情不好的時(shí)候只要看一眼我的兒子，就會(huì)覺得什么都不是事兒了。但是作為一個(gè)學(xué)天文的媽媽，我在他的身上還能看見一件很奇特的東西，那就是130億年前的宇宙，你相信嗎？
他的身體里和我們一樣，由很多種元素構(gòu)成，其中最主要的有6種，包括水里面的氫和氧、有機(jī)物里的碳、牙齒和骨骼里的鈣，以及蛋白質(zhì)里面的氮，還有給我們細(xì)胞供能的磷。
別看我的兒子只有2歲，可是他身體里的這些原子，其實(shí)已經(jīng)在宇宙的時(shí)空里穿越了百億年的時(shí)間。是不是覺得我在講一個(gè)科幻小說？
故事要從上個(gè)世紀(jì)40年代開始講起，那時(shí)候的人們只知道大爆炸產(chǎn)生了氫、氦和鋰，對(duì)于其他元素從何而來(lái)一無(wú)所知。這個(gè)時(shí)候一個(gè)叫弗雷德·霍伊爾的英國(guó)天文學(xué)家站了出來(lái)，他說：“是恒星產(chǎn)生了所有元素?！彼l(fā)表了一篇文章，但是在學(xué)術(shù)界并沒有引起多大的關(guān)注。
于是他找來(lái)了三個(gè)非常厲害的幫手，這四個(gè)科學(xué)家努力了好幾年的時(shí)間，終于在1957年的時(shí)候，發(fā)表了一篇重要的文章，他們給出了一套完整的恒星如何合成元素的理論。
恒星的內(nèi)部就是一個(gè)高溫、高壓的宇宙熔爐，我們?cè)谠刂芷诒砩纤芸吹剿械脑囟际窃谶@里產(chǎn)生的。別看這篇文章沒有抓人眼球的標(biāo)題，也不是發(fā)表在Nature上，卻贏得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
雖然很可惜得獎(jiǎng)的不是霍伊爾，但是他非主流的觀點(diǎn)確實(shí)刷新了我們對(duì)于宇宙起源的認(rèn)知。所以現(xiàn)在我們知道了，恒星里的宇宙熔爐從130億前年就開始生產(chǎn)各種各樣的化學(xué)元素，那這么多的元素究竟是如何穿越了百億年，最后來(lái)到太陽(yáng)系進(jìn)入我們的身體中呢？
我們來(lái)看一段視頻。大約在137億年前，“砰”的一聲，宇宙大爆炸了，宇宙爆炸大約3分鐘的時(shí)間產(chǎn)生了大量的氫、一些氦和極其微量的鋰。這鍋大爆炸“濃湯”開始冷卻，冷卻大概到2億年的時(shí)候，宇宙里出現(xiàn)了第一代恒星，它們開始制造新的化學(xué)元素。這些恒星非常明亮而龐大，它們用極其壯烈的方式——超新星，結(jié)束了自己短暫的一生。
而它們所生產(chǎn)的這些化學(xué)元素被噴射到四面八方，并且遺傳給了下一代恒星。就是這樣，一代又一代的恒星，可謂前仆后繼，使得我們宇宙當(dāng)中化學(xué)元素的種類和數(shù)量不斷地增加。直到有一天，恰好能夠形成太陽(yáng)系的生命了，我們就出現(xiàn)了。
正是因?yàn)檫@樣，才有了《魔法爐》里那段十分經(jīng)典的獨(dú)白：“為了我們能夠活著，數(shù)十億、數(shù)百億乃至數(shù)千億的恒星死去了。我們血液里的鐵、我們骨骼里的鈣、我們每一次呼吸的氧，所有這些都是從地球誕生很久之前的星星的熔爐里煉制出來(lái)的?！?/p>
這是一張大家都很熟悉的元素周期表，有沒有人一看到它就覺得頭大呢？天文學(xué)家非常人性化，他們發(fā)明了一張?zhí)貏e的元素周期表，我們把所有比氦重的元素全部稱為金屬，注意是所有比氦重的元素，不僅僅是我們?nèi)粘８拍钪械慕饘?，這些金屬元素的總和，就叫作金屬含量。
隨著宇宙不斷地變老，金屬含量這個(gè)“雪球”也越滾越大，每一代新誕生的恒星，它身體里的金屬含量都會(huì)比它的祖先上一代稍微多一點(diǎn)點(diǎn)。一直到今天，這些“小鮮肉”恒星們，它們已經(jīng)繼承了成千上萬(wàn)代恒星的遺產(chǎn)，所以它們體內(nèi)的金屬含量已經(jīng)是130億年前老祖宗的200萬(wàn)倍。如果有一天你恰巧碰到一個(gè)金屬含量很低的恒星，那么恭喜，你看到了宇宙的極早期。
我想問大家一個(gè)問題，你們覺得我們能看到最早的恒星嗎？由于限于我們現(xiàn)在的觀測(cè)能力，第一代恒星對(duì)我們來(lái)說，就像黃帝堯舜一樣，只是一個(gè)傳說。而我們現(xiàn)在能夠直接觀測(cè)到的最古老的恒星，其實(shí)是它們的直系后代，這些恒星還來(lái)不及攢多少金屬，所以我們叫貧金屬星。
別看這個(gè)名字不怎么樣，但是它們對(duì)于宇宙演化的意義可一點(diǎn)都不“貧”。如果說現(xiàn)在的宇宙有100歲，這些貧金屬星出生的時(shí)候，宇宙還沒有上學(xué)，所以在它們的身體里隱藏了許多宇宙“嬰幼兒時(shí)期”的重要信息，這也是為什么天文學(xué)家親切地稱它們?yōu)椤?strong>宇宙化石”。
關(guān)于我們?nèi)祟惿氐钠鹪催€有很多的疑問，比如說我們水里的鐵、骨骼里的鈣，第一次產(chǎn)生在宇宙是什么時(shí)候？宇宙早期的化學(xué)成分跟今天的我們之間，是不是有相似的地方？提取這些貧金屬星的化學(xué)成分就成為我們獲得答案的唯一途徑。
如果現(xiàn)在讓你去提取一顆恒星的化學(xué)成分，你打算怎么做呢？顯然我們不能把星星搬回實(shí)驗(yàn)室或者辦公室來(lái)研究，所以天文學(xué)家要用望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀察它們。一說到觀星，天文愛好者應(yīng)該激動(dòng)了，每個(gè)人的腦海里都會(huì)出現(xiàn)各種美輪美奐的星空。
不過我眼中的星星跟大家想象的星空都不一樣，這就是我看到的星星，這其實(shí)是一條二維的恒星光譜。你們看到的橫向的每一層是我們眼睛中所能看到的不同顏色的星光，而這些豎線則是炙熱的星光穿過較冷的外層大氣時(shí)，在特定的波長(zhǎng)產(chǎn)生的吸收。也就是說，這每一條暗線，都是某一個(gè)元素在星光里給我們留下的特定信息。
給大家看一張圖，是不是二維光譜和這個(gè)圖有幾分相似呢？這個(gè)圖是人類的基因圖譜。所以說恒星光譜隱藏了恒星的基因一點(diǎn)都不為過，可是我們?cè)撛趺磥?lái)提取這些基因呢？這就要用到天文研究上更常見的一維光譜了。
看到這個(gè)光譜大家有什么感覺？很單調(diào)，甚至有點(diǎn)密集恐懼的味道。不過我很負(fù)責(zé)任地告訴你們，這已經(jīng)是我找到最好看的一條一維光譜了。千萬(wàn)別小看它，它的作用非常的大。
我們通過測(cè)量這個(gè)里面譜線的強(qiáng)度，不僅可以知道這顆恒星制造了哪些元素，制造了多少，通過結(jié)合它外層大氣的情況，我們甚至可以知道這顆恒星的年齡、體重、出生地，以及最近是不是和附近的恒星發(fā)生過激烈的沖突。所以說，恒星光譜是我們刺探恒星的秘密，提取行星DNA的一大神器。
也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，我在博士期間選擇了它作為我的研究方向。我還記得第一次跟我的導(dǎo)師討論研究課題的時(shí)候，他給了我兩條光譜讓我選，你是要做和太陽(yáng)差不多的年輕恒星呢？還是要去研究貧金屬的古老恒星？
我選了貧金屬星，而且當(dāng)時(shí)我對(duì)我自己這個(gè)決定非常滿意。我很好奇這些古老的星星究竟隱藏了多少宇宙早期的秘密，還有一個(gè)很重要的原因，因?yàn)槲抑篮阈枪庾V分析當(dāng)中，最耗時(shí)費(fèi)力、最容易讓人崩潰的就是測(cè)量譜線。
貧金屬星的光譜里線這么少，我可以省掉很多測(cè)量譜線的時(shí)間。不過很快我發(fā)現(xiàn)我的如意算盤打錯(cuò)了，因?yàn)橄裉?yáng)這樣年輕的恒星很好找，但是貧金金屬的古老恒星非常難求。到底有多難找？我?guī)Ыo你們看看。
比如在太陽(yáng)附近隨便劃拉一把，能找到這么多的恒星，可是藍(lán)色的全部都是年輕的恒星，只有紅色的才是我要找的貧金屬星。
紅色在哪里？只有這些，我第一次知道的時(shí)候，也是我第一次切身體會(huì)到什么叫作“整個(gè)人都不好了”！不過我也還算走運(yùn)，遇到了一個(gè)很得力的助手，就是我們國(guó)家設(shè)計(jì)并且建造的郭守敬望遠(yuǎn)鏡，它是一個(gè)不折不扣的觀星能手，它只要眨一下眼睛，就能拍下3000多顆恒星的光譜。所以，它花了5年的時(shí)間，獲得了超過900萬(wàn)條的恒星光譜，我當(dāng)然也趁機(jī)大撈了一把。
正是基于這一次貧金屬星橫財(cái)，我得到了我的第一個(gè)貧金屬星驚喜。我發(fā)現(xiàn)了一顆極其古老的超級(jí)貧金屬星，這顆星的年齡差不多有130億歲，老的幾乎和宇宙不相上下。在當(dāng)時(shí)的恒星界，它的年老程度已經(jīng)排進(jìn)了世界前20。
可是很奇妙的是，我在這顆恒星的光譜里面居然探測(cè)到了氫、碳、鈣、鐵，這些元素可都是對(duì)我們?nèi)梭w生命中非常重要的元素。所以，我再一次意識(shí)到，我們身體里面的這些元素，遠(yuǎn)比我們整個(gè)人類的進(jìn)化歷史要古老的太多太多。
因?yàn)槲已芯苛诉@些貧金屬星，它都很遙遠(yuǎn)，如果我們仔細(xì)去觀察它的光譜，就需要用到世界上最大的望遠(yuǎn)鏡。大家猜一猜，在北半球最適合天文觀測(cè)的地方在哪里？對(duì)，就是在夏威夷。
說到夏威夷你們會(huì)想到什么？陽(yáng)光、沙灘、海浪、搖曳的草裙舞，我第一次去觀測(cè)的時(shí)候也是帶著這樣的憧憬出發(fā)的，不過當(dāng)我從大本營(yíng)下車的時(shí)候，我驚呆了！
我是不是到了一個(gè)假的夏威夷？于是我想我可能還是做一個(gè)安靜的天文學(xué)家好了。通常我們需要在剛才這個(gè)海拔2800米的大本營(yíng)適應(yīng)一到兩個(gè)晚上，然后就可以開赴4200米的莫納克亞山頂進(jìn)行觀測(cè)了。
這個(gè)山頭上聚集了世界上許多高端、大氣、上檔次的望遠(yuǎn)鏡，其中一個(gè)就是我最經(jīng)常使用的昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡。這個(gè)望遠(yuǎn)鏡的口徑有8米，可能這么說你不會(huì)知道它有多大，請(qǐng)注意左下角，這兩個(gè)看不清的東西是兩輛SUV，所以可以想象一下，這個(gè)望遠(yuǎn)鏡是一個(gè)怎樣的龐然大物。
我們進(jìn)行觀測(cè)的時(shí)候，通常會(huì)從當(dāng)天的下午5點(diǎn)一直到第二天早上的7點(diǎn)，都在這個(gè)叫作“觀測(cè)室”的地方待著。我們?cè)谶@里控制望遠(yuǎn)鏡，挑選要觀測(cè)哪個(gè)星，并且檢查我們得到的觀測(cè)數(shù)據(jù)。
不要看這個(gè)房間似乎不怎么豪華，它的價(jià)格可是高到讓你驚訝——每晚8萬(wàn)美元。我第一次去的時(shí)候也覺得特別新奇，這么貴的地方我得好好轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)。可是我發(fā)現(xiàn)了，我在房間里溜達(dá)的時(shí)候，一位觀測(cè)助手老是盯著我看，我當(dāng)時(shí)很納悶。
后來(lái)我一問才知道，頭一天晚上有一個(gè)美國(guó)小伙子，他也是第一次來(lái)觀測(cè)，他很興奮，在海拔4200米的觀測(cè)室里，他有一次突然很使勁地起立，導(dǎo)致他后半夜的觀測(cè)都是躺著完成的。
也就是在這里，我遇到了我第二個(gè)貧金屬星驚喜。有一次觀測(cè)，碰到第二天的天氣不是特別好，看不見任何的星星，所以只能停止工作，開始聊天。到了凌晨3點(diǎn)鐘，我感覺到了有點(diǎn)要尬聊的跡象，我想一晚上8萬(wàn)美元就這么浪費(fèi)了，實(shí)在是太可惜了，我們來(lái)玩一下前一天的光譜數(shù)據(jù)吧。
在分析過程當(dāng)中，我發(fā)現(xiàn)有一條光譜有點(diǎn)問題。大家注意看左下角6700埃的地方，這本來(lái)不應(yīng)該有任何譜線。我們進(jìn)行了反復(fù)地排查，最后證明這不是數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤，而是一條真實(shí)存在的、非常強(qiáng)的Li吸收線。
可能有人要問了，不就是探測(cè)到一個(gè)Li嗎，有必要那么激動(dòng)嗎？Li元素對(duì)于我們?nèi)梭w來(lái)說，它是一個(gè)微量元素，但它也是非常重要的生命動(dòng)力元素，它是唯一一種產(chǎn)生于宇宙大爆炸的金屬元素。
雖然說我們的恒星內(nèi)部其實(shí)可以合成Li，但是恒星合成的Li壽命非常的短，幾乎不能夠存留多久。所以說現(xiàn)在我們手機(jī)里供能的Li和新能源汽車電池里的Li，甚至是地球上最大Li礦的Li，全部都來(lái)自于大爆炸的最初3分鐘。
對(duì)于恒星而言，Li元素也是一個(gè)微量元素，所以通常我們?cè)诠庾V當(dāng)中，只能看見很弱的Li吸收線，或者是根本看不到。而經(jīng)典的理論和以往觀測(cè)數(shù)據(jù)也告訴我們說，尤其貧金屬星的Li含量極低，所以這才解釋了，為什么我在貧金屬星光譜里看到這么強(qiáng)的Li吸收線會(huì)如此意外了。
在后來(lái)的一年半的時(shí)間里面，我們又陸續(xù)找到了好幾顆這樣奇怪的貧金屬星，這些家伙的Li含量遠(yuǎn)比正常值要高出幾十倍，甚至上百倍。
當(dāng)我發(fā)現(xiàn)這個(gè)事實(shí)的時(shí)候，我的第一反應(yīng)是我可以挑戰(zhàn)經(jīng)典理論了?？墒怯幸粋€(gè)做理論的合作者告訴我說你別得意太早了，還有其他的可能性來(lái)解釋這些Li從哪里來(lái)。
比如說這顆貧金屬星的邊上住了一個(gè)鄰居，它很喜歡收藏Li，貧金屬星靠近它的時(shí)候，順便順走了一點(diǎn)；或者是有一顆帶了很多Li的小天體，恰巧經(jīng)過這顆貧金屬星，被它一口吃進(jìn)了肚子里。
我?guī)е浅ｌ男那?，把我所有能用的?shù)據(jù)翻了一個(gè)底朝天，不過結(jié)果很好，沒有任何證據(jù)支持他們所說的這些過程。這下我很高興，因?yàn)槲医K于可以給觀測(cè)學(xué)家制造一點(diǎn)麻煩了。很快，我們的發(fā)現(xiàn)被Science News報(bào)道了，為此我還高興了好幾天。
我以前總是開玩笑說，這些貧金屬星都是一些憂郁的小星星，因?yàn)樗鼈兯狈Φ腖i元素，不僅可以造電池，還是一種抑制抑郁癥和緩解情緒的主要藥物成分?，F(xiàn)在這些貧金屬星突然得到了這么大一批Li，它們的心情會(huì)好多了嗎？我不知道，但是我能確定理論學(xué)家該郁悶一陣子了。
我和貧金屬星相伴已經(jīng)有十年了，最開始的時(shí)候我給自己定了一個(gè)小目標(biāo)：我處理一兩百顆恒星就可以了。但是十年下來(lái)，我處理了近千萬(wàn)顆恒星的數(shù)據(jù)，測(cè)量了上億條譜線的強(qiáng)度。
今天我知道了，即使在最古老的恒星當(dāng)中，我們也能探測(cè)到對(duì)于人類生命來(lái)說非常重要的氫、氦、碳、氮、氧、鈣、鐵、鋰等等元素，而我們之前一直以為只能在地球上合成的磷，最近幾年也在近百億歲的古老恒星當(dāng)中被發(fā)現(xiàn)了。
所以我仍然很好奇，我們的宇宙究竟在什么時(shí)候達(dá)成了第一次化學(xué)上的成熟，形成了生命？為什么總有人說，只能在像太陽(yáng)這樣的年輕恒星附近才能發(fā)現(xiàn)有生命的行星系統(tǒng)？會(huì)不會(huì)在宇宙的極早期就已經(jīng)形成了我們所不知道的最早的生命呢？
當(dāng)然，所有這些謎團(tuán)都需要更多的貧金屬星來(lái)幫我們解答，而支持我在這條通往130億年前的宇宙道路上繼續(xù)走下去的，還有一點(diǎn)，就是我一直相信，這些看似不起眼的年老的小星星，一定會(huì)在未來(lái)的某個(gè)時(shí)間帶給我出乎意料的新驚喜。
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