璀璨的繁星打造了我們這個(gè)五光十色的世界，這其中就包括我們自己。我們身體中的每一個(gè)原子都要么是恒星內(nèi)部核聚變的產(chǎn)物，要么是兩顆恒星相互碰撞的結(jié)果。
每當(dāng)美國(guó)印第安納州立大學(xué)的天文學(xué)家凱瑟琳·彼拉奇奧斯基（Catherine Pilachowski）使用望遠(yuǎn)鏡觀察星空時(shí)，她都能看到那些正在走向死亡的紅巨星，還有爆炸后的恒星殘骸。彼拉奇奧斯基很關(guān)注這樣的天體，因?yàn)樗?，它們與自己有著無(wú)法分割的關(guān)聯(lián)。
人體中的每種物質(zhì)都來(lái)自于某種元素，這些元素由恒星制造。我們每天必需的食物和日常用品，我們的汽車和手機(jī)，我們所見的每樣?xùn)|西——石頭，植物，動(dòng)物，海洋中的水，空中流動(dòng)的風(fēng)……都來(lái)自于遙遠(yuǎn)的恒星。每顆恒星都是一座巨大而又長(zhǎng)壽的“熔爐”，它們酷熱異常的核心使其中的原子相互碰撞而產(chǎn)生新的元素。到最后，多數(shù)恒星會(huì)爆炸，它們將元素噴射到宇宙中非常遙遠(yuǎn)的地方。
新產(chǎn)生的元素在恒星的碰撞中繼續(xù)演變，這個(gè)過程非常復(fù)雜，但人們對(duì)它的了解也已大致明朗了。就在不久前，一組天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了來(lái)自早期宇宙的“亮光”，這束亮光產(chǎn)生于宇宙形成不久后的一個(gè)星系，這個(gè)星系像一座特別的“恒星工廠”，能以極快的速度制造恒星。這個(gè)發(fā)現(xiàn)使天文學(xué)家們豁然開朗，他們明白了，為什么宇宙能有那么多元素制造那么多東西，包括太陽(yáng)系、地球上的生命和我們自己。
始于“原點(diǎn)”
元素是構(gòu)建宇宙的基本材料。我們的地球擁有92種自然的元素，如碳、氧、鈉、金等，它們的原子都是小得驚人的粒子。每個(gè)原子都像一個(gè)太陽(yáng)系，中間的核由束縛在一起的粒子組成，這些粒子被稱為質(zhì)子和中子。核中的粒子越多，這個(gè)元素就越重。
最輕的元素是氫，只有一個(gè)質(zhì)子，是第1號(hào)元素；氦有兩個(gè)質(zhì)子，是第2號(hào)元素；人和其他生物含有大量碳和氧，它們分別是第6號(hào)和第8號(hào)元素；鈣大量存在于骨頭中，是第20號(hào)元素；鐵是第26號(hào)元素，它使我們的血液呈現(xiàn)紅色。在元素周期表底部的自然元素是鈾，它是自然界的“重量級(jí)”元素，有92個(gè)質(zhì)子?？茖W(xué)家們很想在實(shí)驗(yàn)室里制造更重的元素，然而極少成功而且它們壽命極短。
宇宙雖然制造元素，但并不是一開始就制造了這么多元素。物理學(xué)家們認(rèn)為，所有的東西，包括光都來(lái)自于大約140億年前發(fā)生的宇宙大爆炸，這個(gè)爆炸發(fā)端于一個(gè)比芥菜籽還小的“原點(diǎn)”，其密度和熱度大得難以想象。這個(gè)爆炸啟動(dòng)了宇宙膨脹，將物質(zhì)散布到四面八方。
美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)的天體物理學(xué)家史蒂文·德施（Steven Desch）說：“宇宙大爆炸發(fā)生后，只出現(xiàn)了氫和氦，而其他90%的元素，宇宙用了很長(zhǎng)的時(shí)間才制造出來(lái)。為了制造這些更重的元素，擁有更輕原子核的原子必須發(fā)生融合，這樣的核聚變要求極高的溫度和壓力，而這，只有恒星才能做到?！?/p>
從“原星系”到恒星
然而，在宇宙大爆炸發(fā)生后的幾億年里，宇宙中并沒有恒星，只有一些巨大的氣體云，它們的組成90%是氫，剩下的是氦。隨著時(shí)間的推移，引力將氣體分子彼此聚攏，氣體云的密度越來(lái)越大，溫度越來(lái)越高，于是，它們開始逐漸地聚成球狀的一團(tuán)，這就是早期宇宙的“原星系”（protogalaxies）。在原星系中，物質(zhì)繼續(xù)聚集，有些地方的密度變得相對(duì)地大起來(lái)，形成了密集的團(tuán)塊，這些團(tuán)塊經(jīng)過進(jìn)一步發(fā)展后才變成了恒星。在原星系中，恒星就這樣相繼地誕生，我們的銀河系和其中的恒星也是這樣形成的。
恒星出現(xiàn)后，它們開始將較輕的元素變成更重的元素。一顆恒星的溫度越高，它制造的元素就可以越重。太陽(yáng)中心的溫度為15000000攝氏度，聽起來(lái)似乎熱得很，但在宇宙中卻很平常，所以像太陽(yáng)這樣一顆中等大小的恒星不具備足夠的溫度制造比氮更重的元素，大體上說，它們主要制造氦。
要制造更重的元素，宇宙中的“火爐”必須比我們的太陽(yáng)大得多，也熱得多。例如，一顆恒星要想制造鐵（第26號(hào)元素），它便至少要比太陽(yáng)大8倍；假若它還想制造比鐵更重的元素，它便必須通過更劇烈的行為才能做到。
有一種劇烈的行為能制造比鐵更重的元素，例如鉑（第78號(hào)元素）和金（第79號(hào)元素），這種行為就是碰撞。早在2013年6月，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀察到了兩顆致密天體——中子星的碰撞，天文學(xué)家們接收到了由碰撞產(chǎn)生的光，從而獲得了碰撞發(fā)生時(shí)的化學(xué)信息。這些信息顯示，這次碰撞產(chǎn)生了大量黃金，其質(zhì)量相當(dāng)于月亮的好幾倍。由于在一個(gè)星系中，類似的碰撞大約每一萬(wàn)至十萬(wàn)年會(huì)發(fā)生一次，所以天文學(xué)家們認(rèn)為，這次觀測(cè)到的碰撞可以解釋宇宙中所有黃金的來(lái)源。
恒星的“死亡”
和碰撞一樣，恒星的“死亡”也是宇宙中的劇烈過程。通常情況下，恒星的壽命大約有100億年。在恒星內(nèi)部，引力將所有物質(zhì)向中心聚攏，而核聚變產(chǎn)生的壓力又將這些物質(zhì)向外猛推，只要恒星中的燃料沒有用完，這兩種力便持續(xù)地進(jìn)行著博弈，并一直維系著平衡。然而，恒星的燃料終會(huì)用盡，一旦燃料趨于用盡，平衡就會(huì)被打破，引力迫使恒星內(nèi)部發(fā)生坍塌，恒星死亡的過程就此開始。
恒星死亡的方式是由它們的大小決定的。中等大小以下的恒星并不發(fā)生爆炸，它們中心的鐵和更輕的元素會(huì)坍塌，其他部分則慢慢膨脹。漸漸地，恒星變成了一個(gè)灼熱的大火球，在這個(gè)過程中，它會(huì)變得越來(lái)越?jīng)?，越?lái)越暗，最后形成天文學(xué)家們所稱的“紅巨星”。這時(shí)的恒星有一個(gè)模糊的暈輪似的外層，暈輪中的一些原子被排放到宇宙空間中。
和上述恒星相比，更大的恒星有著非常暴烈的死亡方式，當(dāng)它們用完了自己的燃料，其核心也會(huì)坍塌，這使那里一下子擁有了極高的質(zhì)量和溫度。很快，它們便制造了比鐵更重的元素，而這個(gè)過程釋放的能量又重新啟動(dòng)了恒星的膨脹；但很快，恒星便發(fā)現(xiàn)，它已經(jīng)沒有足夠的燃料去維持核聚變了，于是恒星又一次坍塌，溫度再次升高，這回它制造了更重的元素。
德施在概括這一過程時(shí)說，“這時(shí)的恒星一波接一波地脈動(dòng)，從而制造了越來(lái)越重的元素?！绷钊梭@訝的是，這個(gè)過程只發(fā)生在幾秒鐘之內(nèi)，然后，一個(gè)自我毀滅式的爆炸便發(fā)生了，這就是超新星爆發(fā)，它的力量制造了大量重元素。大量原子在爆炸中射向太空，它們一直流向非常遙遠(yuǎn)的地方。
就這樣，太空中出現(xiàn)了大量原子，其中一些來(lái)自相對(duì)溫和的紅巨星，另一些來(lái)自暴烈的超新星，不管途徑如何，它們都是被垂暮的恒星拋射到太空中的。最后，它們會(huì)成為新一輪天體的原材料以形成新一代的恒星和行星。這個(gè)元素的重建過程十分漫長(zhǎng)，需要許多億年的時(shí)光，但宇宙不缺時(shí)間，它能從容不迫地完成所有過程。這表明，一個(gè)星系的壽命越長(zhǎng)，它里面的重元素就越多。
拿我們銀河系來(lái)說，46億年前，它里面比氦更重的元素只有1.5%，但今天，這類元素已占了2%。不過相比較而言，銀河系并不算高效的元素制造者，它制造恒星的速度遠(yuǎn)不如一些宇宙中的“造星高手”。去年，美國(guó)加州理工學(xué)院的天文學(xué)家在夜空中觀測(cè)到一個(gè)非常模糊的紅點(diǎn)，那是一個(gè)星系，被命名為HFLS3，幾百顆恒星正在其中形成。天文學(xué)家杰米·波克（Jamie Bock）介紹說，“HFLS3制造恒星的速度比銀河系快2000倍?！?/p>
元素創(chuàng)造生命奇跡
為了研究遙遠(yuǎn)的恒星，波克他們變成了真正的時(shí)間旅行者，他們必須觀察非常遙遠(yuǎn)的過去，他們無(wú)法看到那里現(xiàn)在正在發(fā)生的事，因?yàn)槟切┻b遠(yuǎn)恒星的光必須穿越遼闊的宇宙空間，這需要好多年，甚至好多萬(wàn)和好多億年。所以，要描述恒星的誕生和死亡，天文學(xué)家們必須使用“過去時(shí)態(tài)”。
HFLS3星系死亡的時(shí)候距我們今天地球的位置約130億光年，它模糊的光線直到今天才抵達(dá)地球，這些光線如同一個(gè)信使，傳遞了HFLS3的消息，但這消息被天文學(xué)家們讀到時(shí)早已不再是新聞，而是名副其實(shí)的“舊聞”了。即使如此，人們依然非常驚訝。
首先，那模糊的亮光是人們觀測(cè)到的最古老的星光，它幾乎和宇宙差不多老。波克說，“我們發(fā)現(xiàn)的HFLS3存在于宇宙剛剛誕生8億8千萬(wàn)年的時(shí)候?！痹谀莻€(gè)時(shí)候，宇宙只是一個(gè)“嬰兒”；第二，按照人們先前的估計(jì)，那時(shí)的星系應(yīng)該只擁有氫和氦，但當(dāng)波克他們研究了HFLS3的組成時(shí)卻發(fā)現(xiàn)了早期恒星制造出來(lái)的重元素和星塵，而并不僅僅是氫和氦，這讓波克他們覺得非常不可思議。這位天文學(xué)家形象地描述了他們的感受，他說，這就好像“你原本以為在人類歷史的早期只能發(fā)現(xiàn)一些村落，但你卻找到了完整的城市。”
為什么會(huì)這樣呢？德施猜想，也許宇宙中能誕生大量恒星的星系并沒有我們事先認(rèn)為的那樣少，那些星系就好比能快速制造恒星的“工廠”，它們?cè)谟钪娴脑缙诰蛯⒅卦刂圃炝顺鰜?lái)。所以在宇宙的另一些地方，一些重元素產(chǎn)生得更早。
相比之下，我們的銀河系在制造恒星方面則并沒有什么特別之處，它雖然已存在了至少120億年，卻并沒有將地球現(xiàn)存的92種元素更快地制造出來(lái)。它終于將這些元素完全制造出來(lái)的時(shí)間是大約50億年前，那以后，引力將這92種元素拉在一起并形成了太陽(yáng)系。幾億年后，地球誕生了；在接下來(lái)的大約十億年里，地球上出現(xiàn)了生命跡象。雖然這件事是怎樣發(fā)生的，至今也沒有人說清楚過，但有一點(diǎn)是明確的，那就是生命的組成來(lái)自于元素，而所有這些元素又都來(lái)自于太空，是那些璀璨的繁星打造了我們這個(gè)五光十色的世界，這其中就包括我們自己。
我們身體中的每一個(gè)原子都要么是恒星內(nèi)部核聚變的產(chǎn)物，要么是兩顆恒星相互碰撞的結(jié)果。
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