作者：天體生物學·黃姤
我們每個人的身體里面都由很多種元素構成，其中最主要的有6種，其中包括水里面的“氫”和“氧”，有機物里的“碳”，牙齒和骨骼里的“鈣”，以及蛋白質(zhì)里的“氮”，還有給我們細胞供能的“磷”，我們身體里的這些原子其實已經(jīng)在宇宙的時空里穿越了百億年的時間。
這個起點要從上個世紀40年代開始講起，這個年代的人們只知道大爆炸產(chǎn)生了氫、氦和鋰，對于其它的元素從何而來一無所知，一個叫“弗雷德·霍伊爾”的英國天文學家，他說是恒星產(chǎn)生了所有的元素，他發(fā)表了一篇文章，但是在學術界并沒有引起多大的關注，于是他找來了三個非常厲害的幫手。
這4個科學家共同努力了好幾年的時間，終于在1957年的時候發(fā)表了一篇重要的文章，他們給出了一套完整的恒星是如何合成元素的理論，恒星的內(nèi)部就是一個高溫高壓的宇宙熔爐，論證了氦核在高溫下“燃燒”產(chǎn)生從碳核到鐵核等重元素的過程．在這方面．他與物理學家“威廉·福勒”于1957年合寫的論文被稱為是現(xiàn)代天文學史上劃時代的論著。
我們在元素周期表上所能看到的所有的元素都是在這里面產(chǎn)生的，這篇文章沒有抓人眼球的標題，也不是發(fā)表在《Nature》或者《Science》上，但是它卻為他的作者 “威廉·福勒”獲贏得了1957年的諾貝爾物理學獎，雖然很可惜得獎的不是“霍伊爾”，但是他非主流的觀點確實刷新了我們對于宇宙起源的認知。
大約在137億年前宇宙發(fā)生大爆炸了，宇宙花了大約三分鐘的時間，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，冷卻到大概兩億年的時候，宇宙里出現(xiàn)了第1代恒星，它們開始制造新的化學元素，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。
“超新星”它們所生產(chǎn)的化學元素被噴射到四面八方，并且被遺傳給了下一代恒星，就是這樣一代又一代的恒星，可謂前赴后繼，使得宇宙當中化學元素的種類和數(shù)量不斷的增加，直到有一天恰好能夠形成太陽系的生命了，于是我們?nèi)祟惥统霈F(xiàn)了。
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“超新星熔爐”里煉制出來的。
天文學家發(fā)明了一張?zhí)貏e的元素周期表，把所有比氦重的元素全部稱為“金屬”，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做“金屬含量”。
隨著宇宙不斷的變老，金屬含量這個雪球也越滾越大，每一代新誕生的恒星，它的內(nèi)部里的金屬含量都會比它的上一代恒星稍微多么一點點，一直到了今天這些新誕生的恒星，它們已經(jīng)繼承了成千上萬代恒星的遺產(chǎn)，所以它們內(nèi)部的金屬含量已經(jīng)是130億年前的200萬倍了，一顆金屬含量很低的恒星，意味著這是宇宙的極早期。
由于限于我們現(xiàn)在的觀測能力，第1代恒星對我們來說就像傳說一樣，而我們現(xiàn)在能夠直接觀測到的最古老的恒星，其實是它們的直系后代這些恒星還來不及產(chǎn)生更多的金屬，所以稱它們?yōu)椤柏毥饘傩恰?，但是它們對于宇宙演化的意義是非常重大的，假如現(xiàn)在的宇宙有100歲，這些“貧金屬星”誕生的時候，宇宙還到5歲，所以在它們的身體里隱藏了許多宇宙嬰幼兒時期的重要信息，這也是為什么天文學家稱它們?yōu)椤坝钪婊薄?/p>
我們血液里的鐵，我們骨骼里的鈣，究竟第1次產(chǎn)生在宇宙是什么時候？
宇宙早期的化學成分，我們不能把星星搬回實驗室或者辦公室來研究，所以天文學家要用望遠鏡來觀測它們，通過“二維恒星光譜”，看到橫向的每一層是我們眼睛所能看到的不同顏色的星光，豎線則是炙熱的星光在穿過較冷的外層大氣時，在特定的波長產(chǎn)生的吸收，也就是說這每一條暗線都是某一個元素，在星光里留下的特定信息。人類的基因圖譜和“二維恒星光譜”是有些相似的，恒星光譜隱藏了恒星的基因。
怎么來提取恒星的基因呢？
這就要用到天文研究上更常見的“一維光譜”了，它的作用非常大，通過測量這里面的譜線的強度，不僅可以知道恒星制造了哪些元素、制造了多少，通過結(jié)合它的外層大氣的情況，甚至可以知道這顆恒星的年齡，它的體重，它在哪里誕生，它最近是不是和附近的恒星發(fā)生過激烈的碰撞，所以說恒星光譜是窺探恒星的秘密提取恒星DNA的一大神器。
像太陽這樣的年輕的恒星很好找，但是“貧金屬”的古老恒星非常難求。
舉例說明：
比如說我們在太陽附近隨便能找到很多恒星，藍色的全部都是年輕的恒星，只有紅色的才是“貧金屬星”。
圖解：圖片中只有4顆紅色的貧金屬星”
我們國家自己設計并且建造的“郭守敬望遠鏡”，它能拍下3000多顆恒星的光譜，花了5年的時間獲得了超過900萬條恒星光譜，并且發(fā)現(xiàn)了一顆極其古老的超級“貧金屬星·J1253+0753”，這顆星的年齡差不多有130億歲，幾種與宇宙同年齡，它的年老程度已經(jīng)排進了世界前20。
在這顆“J1253+0753”恒星的光譜里面探測到了氫、碳、鈣、鐵，這些元素都是對于我們?nèi)梭w生命非常重要的元素，我們身體里面的這些元素遠比我們整個人類的進化歷史要古老的很多。
鋰元素對于我們?nèi)梭w來說它是一個微量元素，但它也是一個非常重要的生命動力元素，它是唯一一種產(chǎn)生于宇宙大爆炸的金屬元素，雖然恒星內(nèi)部其實可以合成鋰，但是恒星合成的鋰壽命非常的短，不能夠存留多久。
手機電池里的鋰、新能源汽車電池里的鋰，地球上最大鋰礦的鋰，全部都來自于大爆炸的最初三分鐘，對于恒星而言，鋰元素也是一個微量元素，通常在光譜當中只能看見很弱的鋰吸收線或者是根本看不到，而理論和以往的觀測數(shù)據(jù)“貧金屬星”里面的鋰含量尤其極低。
即使在最古老的恒星當中，也能探測到對于人類生命非常重要的氫、氦、碳、氮、氧、鈣、鐵、鋰等等元素，一直以來我們以為只能在地球上合成的“磷”，也被證明發(fā)現(xiàn)在年近百億歲的古老恒星當中，這些看似不起眼的年老小星星，一定會在未來的某個時間帶給我們意料的新驚喜。
我叫黃姤，90后女，喜歡創(chuàng)作生物、化學、物理、地質(zhì)和天文科學文章，歡迎關注互相學習。
