從元素到生命

璀璨的繁星打造了我們這個五光十色的世界，這其中就包括我們自己。我們身體中的每一個原子都要么是恒星內部核聚變的產物，要么是兩顆恒星相互碰撞的結果。

每當美國印第安納州立大學的天文學家凱瑟琳·彼拉奇奧斯基（Catherine Pilachowski）使用望遠鏡觀察星空時，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。彼拉奇奧斯基很關注這樣的天體，因為她知道，它們與自己有著無法分割的關聯。

人體中的每種物質都來自于某種元素，這些元素由恒星制造。我們每天必需的食物和日常用品，我們的自行車和手機，我們所見的每樣東西——石頭，植物，動物，海洋中的水，空中流動的風……都來自于遙遠的恒星。每顆恒星都是一座巨大而又長壽的“熔爐”，它們酷熱異常的核心使其中的原子相互碰撞而產生新的元素。到最后，多數恒星會爆炸，它們將元素噴射到宇宙中非常遙遠的地方。

新產生的元素在恒星的碰撞中繼續演變，這個過程非常復雜，但人們對它的了解也已大致明朗了。就在不久前，一組天文學家發現了來自早期宇宙的“亮光”，這束亮光產生于宇宙形成不久后的一個星系，這個星系像一座特別的“恒星工廠”，能以極快的速度制造恒星。這個發現使天文學家們豁然開朗，他們明白了，為什么宇宙能有那么多元素制造那么多東西，包括太陽系、地球上的生命和我們自己。

始于“原點”

元素是構建宇宙的基本材料。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。每個原子都像一個太陽系，中間的核由束縛在一起的粒子組成，這些粒子被稱為質子和中子。核中的粒子越多，這個元素就越重。

最輕的元素是氫，只有一個質子，是第1號元素；氦有兩個質子，是第2號元素；人和其他生物含有大量碳和氧，它們分別是第6號和第8號元素；鈣大量存在于骨頭中，是第20號元素；鐵是第26號元素，它使我們的血液呈現紅色。在元素周期表底部的自然元素是鈾，它是自然界的“重量級”元素，有92個質子。科學家們很想在實驗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。物理學家們認為，所有的東西，包括光都來自于大約140億年前發生的宇宙大爆炸，這個爆炸發端于一個比芥菜籽還小的“原點”，其密度和熱度大得難以想象。這個爆炸啟動了宇宙膨脹，將物質散布到四面八方。

美國亞利桑那州立大學的天體物理學家史蒂文·德施（Steven Desch）說：“宇宙大爆炸發生后，只出現了氫和氦，而其他90%的元素，宇宙用了很長的時間才制造出來。為了制造這些更重的元素，擁有更輕原子核的原子必須發生融合，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。”

從“原星系”到恒星

然而，在宇宙大爆炸發生后的幾億年里，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。隨著時間的推移，引力將氣體分子彼此聚攏，氣體云的密度越來越大，溫度越來越高，于是，它們開始逐漸地聚成球狀的一團，這就是早期宇宙的“原星系”（protogalaxies）。在原星系中，物質繼續聚集，有些地方的密度變得相對地大起來，形成了密集的團塊，這些團塊經過進一步發展后才變成了恒星。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。太陽中心的溫度為15000000攝氏度，聽起來似乎熱得很，但在宇宙中卻很平常，所以像太陽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”必須比我們的太陽大得多，也熱得多。例如，一顆恒星要想制造鐵（第26號元素），它便至少要比太陽大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號元素）和金（第79號元素），這種行為就是碰撞。2013年6月，哈勃太空望遠鏡觀察到了兩顆致密天體——中子星的碰撞，天文學家們接收到了由碰撞產生的光，從而獲得了碰撞發生時的化學信息。這些信息顯示，這次碰撞產生了大量黃金，其質量相當于月亮的好幾倍。由于在一個星系中，類似的碰撞大約每一萬至十萬年會發生一次，所以天文學家們認為，這次觀測到的碰撞可以解釋宇宙中所有黃金的來源。

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。在恒星內部，引力將所有物質向中心聚攏，而核聚變產生的壓力又將這些物質向外猛推，只要恒星中的燃料沒有用完，這兩種力便持續地進行著博弈，并一直維系著平衡。然而，恒星的燃料終會用盡，一旦燃料趨于用盡，平衡就會被打破，引力迫使恒星內部發生坍塌，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生爆炸，它們中心的鐵和更輕的元素會坍塌，其他部分則慢慢膨脹。漸漸地，恒星變成了一個灼熱的大火球，在這個過程中，它會變得越來越涼，越來越暗，最后形成天文學家們所稱的“紅巨星”。這時的恒星有一個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，當它們用完了自己的燃料，其核心也會坍塌，這使那里一下子擁有了極高的質量和溫度。很快，它們便制造了比鐵更重的元素，而這個過程釋放的能量又重新啟動了恒星的膨脹；但很快，恒星便發現，它已經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說，“這時的恒星一波接一波地脈動，從而制造了越來越重的元素。”令人驚訝的是，這個過程只發生在幾秒鐘之內，然后，一個自我毀滅式的爆炸便發生了，這就是超新星爆發，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的地方。

就這樣，太空中出現了大量原子，其中一些來自相對溫和的紅巨星，另一些來自暴烈的超新星，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。這個元素的重建過程十分漫長，需要許多億年的時光，但宇宙不缺時間，它能從容不迫地完成所有過程。這表明，一個星系的壽命越長，它里面的重元素就越多。拿我們銀河系來說，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不如一些宇宙中的“造星高手”。去年，美國加州理工學院的天文學家在夜空中觀測到一個非常模糊的紅點，那是一個星系，被命名為HFLS3，幾百顆恒星正在其中形成。天文學家杰米·波克（Jamie Bock）介紹說，“HFLS3制造恒星的速度比銀河系快2000倍。”

元素創造生命奇跡

為了研究遙遠的恒星，波克他們變成了真正的時間旅行者，他們必須觀察非常遙遠的過去，他們無法看到那里現在正在發生的事，因為那些遙遠恒星的光必須穿越遼闊的宇宙空間，這需要好多年，甚至好多萬和好多億年。所以，要描述恒星的誕生和死亡，天文學家們必須使用“過去時態”。

HFLS3死亡的時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地球，這些光線如同一個信使，傳遞了HFLS3的消息，但這消息被天文學家們讀到時早已不再是新聞，而是名副其實的“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到的最古老的星光，它幾乎和宇宙差不多老。波克說，“我們發現的HFLS3存在于宇宙剛剛誕生8億8千萬年的時候。”在那個時候，宇宙只是一個“嬰兒”；第二，按照人們先前的估計，那時的星系應該只擁有氫和氦，但當波克他們研究了HFLS3的組成時卻發現了早期恒星制造出來的重元素和星塵，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現一些村落，但你卻找到了完整的城市。”

為什么會這樣呢？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為的那樣少，那些星系就好比能快速制造恒星的“工廠”，它們在宇宙的早期就將重元素制造了出來。所以在宇宙的另一些地方，一些重元素產生得更早。

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，卻并沒有將地球現存的92種元素更快地制造出來。它終于將這些元素完全制造出來的時間是大約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系。幾億年后，地球誕生了；在接下來的大約十億年里，地球上出現了生命跡象。雖然這件事是怎樣發生的，至今也沒有人說清楚過，但有一點是明確的，那就是生命的組成來自于元素，而所有這些元素又都來自于太空，是那些璀璨的繁星打造了我們這個五光十色的世界，這其中就包括我們自己。我們身體中的每一個原子都要么是恒星內部核聚變的產物，要么是兩顆恒星相互碰撞的結果。