互动科普

构成地球和它的生物栖居者的元素是由更早的几代的恒星所形成的。

宇宙中的物质诞生在暴烈之中。氢和氮是在距今约150亿年前的大爆炸强烈热辐射中形成的。构成我们自己的、更复杂的碳、氧、钙、铁原子起源于恒星的燃烧着的深处。像铀之类的重元素是在超新星爆发的冲击波内合成的。形成生物原料的这些核过程发生在最不适宜于生物居住的环境中。

一旦形成了元素，剧烈的爆发就把这些元素送回到恒星之间的太空中。在那里，万有引力将这些元素铸造成新的恒星和行星，而电磁作用将它们造成生命的化学物质。这—页上的油墨，当你阅读这一页时所呼吸到的空气，更不用说你的骨头和血液，它们的组成元素全都是从更早世代的恒星那里继承下来的。行进在天文台的过道上，你可以看到一些“碳原子的集合体”（指人——译注）俯身在硅盒上控制着由铁和铝制成的位于远处的望远镜，试图追溯构成它（他）们的物质本身的起源。

物质是在大约距今150亿年前在一次称为大爆炸的猛烈爆发中形成的。在一秒钟的很微小部分的时间内，新生的夸克聚结成质子。这些质子又进一步结合成氦原子的原子核。万有引力加强了这一原始汤中的波动，将各最稠密的区域聚拢从而形成由星系和空洞组成的一个巨大的宇宙挂毯。在星系内部，稠密的气体云生产出大量的恒星。在仍然保留着宇宙初期结构痕迹的宇宙微波辐射中可以看到这些早期波动的痕迹。

宇宙的大尺度伸展伴随着物质微结构的平行变化。对地球上生命必不可少的碳、氮和其它元素是在恒星内部合成的，而这些恒星现已死亡很久了。在银河系内部，在夜空那些熟悉的恒星中，天文学家们可以研究这些微变化的过程。在二十世纪第一个十年的初期，这些研究导致了最初的关于行星和恒星年龄的若干悖论的出现。

对地球上的天然放射性的研究提供了关于元素年龄的线索。考虑到铀缓慢衰变成铅的地球物理学家们计算出了地球具有几十亿年的年龄。但是，不知道有关核过程知识的二十世纪初期的天体物理学家们计算出以化学燃烧或引力收缩为动力的太阳的发光时间才只有几百万年。

这一分歧很重要。地球有着几十亿年的年龄就给生物进化和地质演化提供了更为合理得多知历书。在生物进化和地质演化中人们常常发现变化是难以觉察地慢。即使在大多数天文系内由于存在着正被清除的所有这些分歧而使地毯变得凹凸不平，1000这个倍数也是需要加以注意的。

奇怪的是，解决这一难题的钥匙在核物理过程中找到了，而当初也正是这些过程——以放射性的形式——提出了这一难题。如果恒星生存了几十亿年而不是几百万年，它们就必须有一个比化学能大1000倍的连续不断的能源。通常的化学变化涉及到使原子外区的电子发生重排的电力。核变化渉及到使原子的核内中子和质子发生重排的强力。核反应的产物比起反应前的组分来说往往有着较小的质量，质量的这一差额根据众所皆知的E=mc2这一公式转化为能量。

在核反应中，产生的能量是非常之大的，一般为化学反应所产生能量的一百万倍。甚至用于核武器的专门术语也反映了这一倍数。核能的单位是兆吨，一兆吨核能等于一百万吨化学爆炸的能量。

一颗像太阳之类的燃烧氢的恒星在其100亿年的寿命期间有着充足的能量供应。太阳现有年龄的计算值约为50亿年（因此，我们可以安全地签订长期抵押合同）。

恒星内的核反应提供的不只是使生命繁荣所需的能量。核燃烧产生的灰烬——周期表上的各元素——是生物由之构成的匣料。或许最重要的是，在恒星生命期间不断发生的核聚变保证了能量在几十亿年期间内的连续供应并使生命和智能有时间发育出来。

毕竟恒星并不是宇宙中那样普通的地方。恒星是它自身引力向内吸引和内部炽热气体向外压力之间达到精巧平衡的气体球。受压缩的氢气通常有着波士顿港内水的密度，大约为宇宙密度平均值1030倍，而且在一个具有一般温度为3开氏度（-270摄氏度）的宇宙中，恒星的中心处于1500万开氏度的温度下。

在这样极端的温度下，氢原子失掉了它们的电子。裸露的质子当它们在恒星稠密的内部猛烈运动时就会发生频繁的振动碰撞。在恒星中心附近，温度和密度最髙。在那里，尽管有着质子之间的电力排斥，它们还是被如此紧密地推挤在一起，以致强核力和弱核力能够发生作用。

在一系列核反应中，氢核（质子）聚变成氦核（两个质子加两个中子），同时发射出两个正电子、两个中微子和能量。如果元素的合成仅仅局限到氦为止（氦也在大爆炸中产生），并且如果氦一直以锁闭状态停留在恒星的核心内，就不会产生如此有趣的故事了，而且我们也不会在这儿讨论它了。在长期稳定的氢聚变阶段（它导致了氦在星核中的积累）之后，恒星发生了急剧的变化。

由于每个氦核都锁定了四个核子，星核就收缩和受到加热。星核的温度和密度就都增大以维持压力平衡。这颗恒星作为整体就变得不那么均一了。随着星核变得越来越小，恒星的外层就可达到各层先前半径的50倍。这时，一颗像太阳那样大小的恒星将迅速转变成冷的但是发光的红巨星。从地球居民的狭隘观点来看，这将是历史的终结和人类世界的终结。商品期权、规定的棒球击手规则以及等候电话等将同地球一起化为乌有。

但是在红巨星内部仍发生了一些有趣的事件。随着星核的收缩，中心的反应堆将越来越热。这时，先前不可能的核反应就成为主要的能源。例如，在氢燃烧期间积累起来的氦这时就变成为一种燃料。随着恒星的变老和星核温度的上升，氦核之间的短暂相遇就会产生聚变事件。

两个氦核之间的碰撞最初形成具有四个中子和四个质子的铍的不稳定形式。十分令人惊奇的是，另一氦核同这短寿命的靶相撞时就形成了碳。这一过程的可能性相当于踩在一根圆木上疾驰而过地跨越小河。氦、不稳定的铍和最终产生的碳，这三者能量之间的精巧匹配使碳得以形成。没有这样一个过程，我们就不会在这里存在。

碳和氧（后者是另一个氦核同碳聚变形成的）是在恒星内形成的最丰富的元素。质子同氦原子的多次碰撞并未产生大量的聚变产物。锂、铍、硼的丰度比碳的丰度要少一百万倍（锂、铍、硼的核比碳核要小）。所以，元素的丰度取决于核物理中通常不易发现的细节。一颗具有太阳质量的恒星的红巨星阶段仅持续几亿年。燃烧的最后各阶段是不稳定的：红巨星推出它的一些外层，形成称为“行星状星云”的气体壳层。在一些红巨星中，通过对流还可从星核中带出富碳物质。这些新合成的物质然后逃逸出去，形成由石墨组成的碳黑茧状物，最终，燃料用光了，红巨星凝结成了白矮星。

保护白矮星使之不致发生完全的引力坍缩的并不是气体的动压力，其内部的碳和氧处于准结晶态。白矮星能维持下去是由于其自由电子的量子排斥。量子力学禁止多个电子处于最低能态。这种限制迫使绝大多数电子占据较高的能态，即使气体是比较冷的也是这样。这些较高能态的电子提供了压力来维持白矮星的存在。这里不再有核能产生，因而也没有新元素的合成。

银河系中的许多白矮星正在走向这一阴暗的结局，缓慢地冷却、变暗然后就探测不到了。有时一颗非常慷慨的近邻恒星可提供流向白矮星的气体，使之成为I型超新星而突然合成出一些新元素。

然而，聚变这一天然炼金术的最重要的场合是比太阳质量为大的恒星。尽管重的恒星较罕见，但它经历一个更短、更强烈的毁灭途径。为了支持重恒星的大质量外层的重量，该恒星星核内的温度和压力必须很高。一个有着20个太阳质量的恒星，其光度为太阳的20000倍。它以比太阳快1000倍的速度通过氢聚变相，只需要1000万年的时间就膨胀成红巨星，而不是太阳所需的100亿年。

这样髙的中心温度也引起了更为多样化的一组核反应的产生。一颗类日恒星能产生藏在白矮星正在冷却的余烬中的碳和氧。在大质量恒星内碳核进一步聚变形成氖和镁，氧也进一步聚变形成硅与硫。硅能燃烧形成铁。聚变和衰变的中间阶段形成许多不同的元素，一直到铁。

铁核在核物理中占据一个特殊的位置，广而言之，在宇宙的成分中占据一个特殊的位置，铁核是一个最紧密约束的原子核。比铁核轻的原子核当其在一起聚变时要释放出能量。然而，为了形成比铁核重的原子核则要消耗能量。这一在地球上的实验室中所确立的事实有助于恒星的暴烈死亡。一旦恒星形成了一个铁质量核，它就不可能通过聚变产生能量。以惊人速率辐射能量的恒星就像一个持有信用卡的青少年。他（或她）挥霍钱财的速度比得到财的速度快得多，从而处于灾难的边缘。

那么，发生了什么呢？对于这种恒星来说，灾难至少表现为超新星爆发发的形式。星核在仅仅一秒钟的时间内就向内坍缩成一颗中子星或黑洞。星核的密度将与一个原子核的密度一样。这种星核不能再进一步地压缩了。当更多的物质落到这一坚硬的星核时，这些物质就会像一列火车撞在城墙上那样反弹。比声音——声爆——运动要快的强烈的压力波像打雷一样通过此恒星的范围。当此冲击波到达恒星的表面时，恒星亮度突然增大并发生爆炸。在几周的时间内，星体表面的亮度将达到十亿颗太阳所具有的亮度，同时发光表面将以每秒几千公里的速度膨胀。这一突然的能量释放相当于太阳在其整个生命期间的总的能量输出。

这种Ⅱ型超新星爆发在宇宙的化学富集中起着特殊的作用。首先，同将其聚变产物藏于白矮星内的小质量恒星不一样，这些爆发恒星能将其未燃烧的一些外层抛出。它们喷出由氢燃烧产生的氦并向它们周围的气体喷出进一步燃烧所积累起来的碳、氧、硫和硅。

一些新元素在向外离开的冲击波之后合成。强烈的加热能使那些在稳定地燃烧的恒星内不可能发生的核反应发生。这些核反应的某些产物是放射性的，但是比较重的稳定元素也能够被合成。中子轰击铁核就会使之变成金。金可转变成铅（炼金术士感到可怕之事！），而铅受到轰击又可形成一直到铀的所有元素。在周期表中超过铁的元素在宇宙中是稀少的。对于每1000亿个氢原子，才会出现一个铀原子——每个铀原子都是在不寻常的环境中花费了特殊的能耗而形成的。

在超新星爆发中形成重元素的上述理论模式在1987年2月受到了充分彻底的检验。一颗超新星SN1987A在银河系近邻的大麦哲伦云内爆发。在1986年指出的具有20个太阳质量的恒星——Sanduleak-69°202——在那里消失了。这颗恒星和这颗超新星一起给出了激动人心的证据，证明至少有一颗大质量恒星以暴烈的方式结束了它的生命。

在这颗恒星的亮度开始增强之前的几小时，在俄亥俄州和日本探测到了来自这次爆发的最里面的冲击波所发射出的中微子。新合成的元素辐射出的能量，使该超新星的碎屑亮到在这次爆发之后的几个月内用肉眼都能看到。此外，人造卫星和气球还探测到了一些新诞生的放射性核所发射的特殊的高能伽马射线。

在1987年使用“国际紫外探险者”卫星和以后使用“哈勃太空望远镜”所进行的观测工作提供了强有力的证据表明，Sanduleak曾经是一颗扔掉了它的一些外层的红巨星。1994年使用新的灵敏的哈勃镜拍摄的图像揭示出围绕该超新星的若干使人大吃一惊的环。

一个内环是该恒星还是一颗红巨星时所丢失的物质受到了来自超新星的紫外光闪光的激发而形成的。各外环更是谜一般地难以理解，但推测与来自前超新星系统的质量丢失有关。恒星燃烧的这些产物集中在一个中心点内，这个点用哈勃望远镜才能勉强分辨，它以每秒3000公里的速度向外膨胀。迄今在SN1987A内还未观测到中子星。

该超新星为元素起源的精心阐述的理论模式提供了激动人心的证实。恒星形成和毁灭的接连的若干过程都会使星际介质富含重元素。我们能够证认出星际气体中的这些物质，因为它们能吸收更遥远源的待定波长的光并留下特征的标记。这些吸收线还能告诉我们元素的丰度，即同氢的丰度相比较的量。

在像银河系这样的旋涡星系中，星际气体是同旋臂成协的。对这类星系的光学研究受到它所伴随的尘埃的妨碍，这些尘埃吸收了通过的大部分的光。但是尘埃也屏蔽了氢原子使之不受紫外光的作用，从而使氢原子能在化学上结合形成氢分子（H2）。在星系的这类隐藏的死水中，像水（H2O）、一氧化碳（CO）和氨（NH3）这样的分子也全都能装配起来。化学上的多样性是很出乎意科的：在星际云中发现了100多种分子。

1994年5月，伊利诺斯大学的Yanti Miao和Yi-Jehng Khan报道了在银河系中心附近的正在形成恒星的云——人马座B2——中发现了最小的氨基酸——甘氨酸。推测在一颗正在形成的恒星附近聚积的原行星盘中可能存在有氨基酸和其它与生物有关的化合物，这是非常今人感兴趣的。这样的化合物如果在一颗年轻的行星上则几乎肯定会受到热辐射的破坏。但是，在该行星冷却之后，这些化合物就可以随着陨石来到行星的表面上。事实上，一些复杂的碳氢化合物已于1993年在显微尘埃粒子上发现了，这些尘粒系来自于行星际空间中。

我们通过拾起一支钢笔这一简单的动作就可得知很多有关形成地球的物质的情况。由碳化合物和金属做成的这支钢笔——实际上也就是地球本身——可以代表宇宙的丰度情况。除氢和氦（它们很容易摆脱小的行星的引力控制）外，地球的所有元素也是宇宙的元素。它们是由恒星形成的并散布于整个银河系内。有关由已知亚原子粒子组成的普通物质是否仅为宇宙总质量的很小一部分的问题，意见仍然不一致。如果是的话，那我们真的是由特殊材料所做成的了。

尽管太阳的百分之九十九是氢和氦，但还是有百分之一的更复杂的原子核，包括微量的铁和其它重元素在内。因此，太阳系必定是由先前若干世代的恒星合成的元素所形成的。像你祖母所遗留下的银烛台（但更有价值得多）一样，我们是继承了由祖先恒星所产生的碳和氧。

天文学家可以通过研究银河系内的大质量恒星来开始追溯太阳系的谱系树。如果一个星团内的各大质量恒星刚好在现在正变成红巨星，则该星团就一定是年轻的。如果目前正在向着红巨星相演化的那些恒星具有太阳的质量，则该星团是年老的。足以使它的类日恒星开始向红巨星相的转变，此星团的年龄大约为100亿年。银河系中最老的星团是球状星团，当以这种方法测定时，这些球状星团似乎有120亿到180亿年的年龄。

我们将球状星团识别为一类早世代的恒星。这类恒星中的那些最古老者显著地不同于太阳；如像铁之类的元素的丰度常常比太阳的要低100倍甚至1000倍。可是即使这些古老的恒星也含有微量的重元素。因此，它们表明存在有根本未看到的一个世代的恒星，但这一世代的成员未遗留下来。

既然宇宙本身只有大约150亿年的年龄，那么银河系的最初的化学富集必然是很快的。甚至类星体也含有碳和氮，类星体是宇宙仅有其现在年龄的五分之一时就存在的河外“灯塔”。在现代，变化要小得多。星际气体内今天的化学丰度大致与太阳内的相同，而太阳的化学丰度在50亿年前就固定下来了。这就是未来恒星和行星的原材料。

在像猎户星云这样的邻近气体云中，天文学家们能够研究恒星诞生的详细场面。新的红外探测器正在揭开这些恒星摇篮的屏蔽层。尽管星际尘埃挡住了可见光，但它对红外波或射电波来说仍然是透明的。我们能够看到甚至在恒星将其星核内的氢燃料点燃之前的、当其凝聚时的新生恒星。此外，诸如在夏威夷和智利的8米“双子星座”（Gemini）望远镜那样的大型望远镜也可望观测到有关恒星凝聚过程的远为更多的细节。

当气体聚结成一顆恒星时，它首先形成一个旋转的气体尘埃盘。当此恒星凝聚之时，尘埃就集合成地球之类的石质行星。剩余气体则团聚形成木星之类的大的气体行星。用红外和射电技术观测到的、偶尔用光学方法也能瞥见的圆盘是常见的情况。但行星是常见的吗？

证据要比信心弱得多。正如在宇宙学中只有一个宇宙（我们生活于其中）样本一样，仅有一个众所皆知的行星系统（我们生活于其上）。行星很难直接观测到。观测者必须在一个亮度比之大10亿倍左右的天体附近看到仅闪耀着反射光的小天体。

用行星的引力效应来探测行星更有希望。这种想法是观测一颗可见恒星与一颗看不见的天体相互吸引时后者所引起的前者的速度变化。其质量小于此恒星质量十分之一的天体对该恒星的运动仅产生轻微的影响。尽管有着吊人胃口的启示，但通过寻找围绕发光恒星公转的行星所引起的恒星运动这种方法迄今还未发现过一颗行星现有的方法不完全适合于探测围绕象太阳这样的一颗恒星作公转的比木星还小的行星的任务。

可是一颗自转中子星PSR B1257+12最近被证明具有一些引起该中子星辐射周期性位移的天体。当在超新星爆发中形成一颗中子星时，其星核就被压缩成直径只有几英里的致密球体。随着原有恒星的收缩，它的任何自转最终都要成为中子星的自转。所以中子星生来就有自转。如果中子星具有磁场，它就可能是一个在一清晰的特定方向上发射射电波的髙功率源。

这类天体的确存在，它们被称之为脉冲星。射电辐射的锥形束每一次扫过地球时，天文学家们就会观测到一个射电噪声的脉冲。由于产生此辐射的机制是固定在一个致密的飞轮上，因此脉冲周期是很精确的。极微细的变化通过孜孜不倦地观测脉冲到达时间也能被测定出来。如果脉冲星有一颗看不见的伴星，观测者就会看到，随着射电源的接近和退行，脉冲的到达时间就将早一点然后又晚一点。

1992年，目前在宾夕法尼亚州立大学的Alexander Wolszczan以及新墨西哥州索科洛国家射电天文台的Dale A. Frail报道了他们观测到脉冲星PSR B1257+12的脉冲到达时间具有周期性的变化。在持续几个月的时间内，这种变化只有1.5毫秒。如果有两个天体在围绕该中子星的轨道上运行，上述现象就可解释。它们的质量为地球质量的3.4倍和2.8倍。1994年4月，这两位研究人员还发现了这两个行星之间的引力的一些征兆以及还有第三个天体存在的证据，它大约具有月球的质量。

任何人也想不到另一太阳系竟会是能向外发射高功率射电波的、自转的超新星爆发残余。可是只有吝啬鬼才会拒绝把围绕它运行的天体称之为行星。这些行星在形成中子星的超新星爆发中幸存下来，看来是很不可能。很可能原有恒星有一个现已不存在的密近双星伴侣。这些行星或许是由该伴星的碎片所形成的。这不是你们通常的家族史。然而，对脉冲星的研究有可能阐明像地球之类更熟悉的行星的形成过程。

地球的成分是在恒星内和银河系内恒星诞生和死亡的连续浪潮中能量产生的天然副产物。我们不知道其它恒星是否具有类地行星，在这种行星上，在恒星大锅内形成的复杂原子已将它们自己组织成了智能系统。但是，了解物质的历史和研究它的诸如星系、恒星、行星和生命这些最有意义的形态，看来很适合运用我们的智力。

【肖仲洋/译   郭凯声/校】