超新星和大爆炸：我们从何而来？

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“我们的某些部分知道我们从何而来。我们在寻求归宿，但我们已有归宿。因为宇宙就在我们体内。我们源自星尘。认识了我们自身，也就认识了宇宙。”——卡尔·萨根，《宇宙》

这是一段卡尔·萨根最为著名的语录，原因很简单：他通过轻松的语调，在他著名的电视片《宇宙》中，道出了我们与宇宙之间的联系。我敢说，这的确是事实。而这个事实是如此浪漫，以至于天体物理学家尼尔·德格拉斯·泰森（Neil DeGrasse Tyson）曾将这个令人惊叹的观点，称为是他最想和人分享的宇宙知识之一。

想想也令人激动：几乎我们体内的每个原子都曾经穿越恒星，而且其中许多就是在恒星内锻造出来的。同样，我们脚下的岩石，灯泡中的气体，呼吸的空气，甚至我们脚边的拉布拉多犬也是如此。我们的星系中包含了数十亿的行星，它们中有的是流浪者，有的是居家一族。而且可以肯定的是，我们的银河系在宇宙中并不是独一无二的。所有的行星，无论是否适宜生命生存，都源自星尘。而且更为奇妙的是，大部分的“普通”物质，如碳、氧、氮、铁、钙、硫，等等，这些约占宇宙总量1%的原子都来自恒星。

我们很普通，我们也很稀有。

我们体内的原子故事是宇宙故事的现实版。红血球内铁原子核中的质子可能产生自宇宙大爆炸，它在来到我们体内安家落户前，曾经穿越数颗恒星，跨过整个星系。

蝴蝶星云

行星状星云NGC 6302是一颗产生并扩散着巨大尘埃云的极热恒星，这片尘埃云内包含有许多分子，如硅、氧和碳。– 美国宇航局（NASA）、欧洲空间局（ESA）、哈勃SM4 ERO小组（Hubble SM4 ERO Team）

宇宙中的大部分原子是氢——它是最简单的原子，只由一个质子充当原子核——其余大部分是氦，它的简单程度位居第二。这些原子中的大部分，包括少量的锂和硼，是在宇宙大爆炸后的最初几分钟内诞生的。在极高的温度和压力下，它们无法组成更重的原子核。因此早期宇宙的化学成份是相当简单的。宇宙中的第一代恒星形成时，它们只由简单的电子和质子——也就是氢组成，因为那时只有这些。根据我们建立的模型，这些恒星相当巨大，会很快地将所有可用的氢转换为氦，因此它们是相对比较短命的一代。当它内部的氢用尽后，恒星会进入一系列生命晚期的扩张和收缩，并开始新的聚变过程。这一过程将产生碳、氧，如果恒星足够大，还会产生更重的元素。我们的太阳正处于中年，其氢燃料将在50亿年后用尽。

这些宇宙早期的巨大恒星，会在其生命的晚期突然爆发为超新星。它们足够炽热且巨大，能够自行产生新的元素，因此这一过程兼具破坏性和创造性。恒星在被炸成碎片时，巨大的爆炸会创造新化学元素，并将它们扩散到宇宙空间中。第一代恒星诞生自氢，但是死于更重的原子云。虽然这时新元素的含量仍无法与原始的氢和氦相比，但是即使是如此少的含量，也足以开始改变宇宙的化学组成。

生命的化学也是在此时开始的。氢诞生自宇宙大爆炸，但是没有来自恒星的氧，也就不会有水。我们的身体几乎全部由水组成（取决于你计算的方法），并且几乎所有我们已知的生命都依赖水。穿越恒星而来的氢和恒星制造出来的氧结合，在数十亿年后成为了你表皮细胞中细胞质的组成部分。

第二代恒星是由第一代恒星的碎片形成的，它们并不都十分巨大和易于燃尽；它们中的许多今天仍然健在。这些恒星中比较巨大的，同样也很短命，并且也会以超新星的形式终结，并将更多的元素扩散到宇宙中。你血液中血红蛋白内的铁就是在这样的一次爆炸中形成的。

超新星并不是垂死恒星扩散化学元素的唯一途径。垂死恒星稀薄的大气仅被引力勉强束缚着。当它们脉动时，巨量的气体会以恒星风的形式流失。对太阳来说就是太阳风，对我们来说非常幸运的是它的生活非常平静。离开恒星越远，环境温度就越低，因此原子可以结合为分子：甲烷和二氧化碳，它们都是生命所需的。

参宿四（Betelgeuse），这颗组成猎户座猎户“肩部”的明亮红色恒星，就是这样一颗垂死之星。通过智利甚大望远镜（VLT）进行的观测表明，参宿四被一团巨大的抛射物质云包裹着，这团云体宽约20亿公里，内含富氧分子，尤其是二氧化硅——沙滩的主要成份。组成你体内主动脉的一个硅原子就这样被恒星风吹进了太空。

甚大望远镜（VLT）的图像显示了参宿四及被其抛射出去的星云物质。- 欧洲南方天文台（ESO）/P. Kervella

包裹着恒星核心的“外套”由于温度不够高而无法合成原子，但是它在核反应中扮演了一个不同的角色。来自恒星核心的中子轰击恒星外层的原子，会制造能够被恒星风带走的较重元素。不稳定，且在地球上无法自然产成的的稀有元素锝（technetium，意为“人工”）就是在巨星的“外套”中产生的。存在于你的牙齿，以及给你宝宝吃的奶粉中的钙也是以这种方式生成的。

低质量的恒星，无法以爆炸的方式结束生命，它们的外层会逐渐地流失，并形成行星状星云。这些行星状星云能够在太空中播种各种元素和有机分子。这其中包括了氨基酸，它是组成你以及其他所有有机体蛋白质的基本材料。恒星的其它死亡方式，如白矮星的爆发或脉冲星的相撞，也会产生一些原子。

而太阳，这颗拥有行星，并且拥有能够考虑这些问题的生命的恒星，既不是第一代恒星，也不是第二代。我们的太阳系诞生自一个至少埋葬了一颗恒星的恒星墓地，这里有充分的铁和镍，足以形成地球、月球和其它岩石质行星。实际上，研究者已经发现了两粒二氧化硅陨石——难以想像的小——它们包含的氧同位素不是在恒星大气中形成的，而与超新星的产物相符。

无论源头是哪里，通过垂死恒星的聚变和其它形式的核反应，通过星风和爆发将产品送入太空，几乎所有地球上可以找到、并且被人类带入太空的元素，都是由恒星提供的。我们的幕后故事，是原子从时间之初到进入我们体内的神奇之旅。这个故事中不仅有我们，还有拉布拉多犬、陨石、石头和流淌的小溪。我对此深信不疑。

原载：Nautil.us
作者：Matthew Francis
编译：老孙

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