为什么说我们都是星尘？

wifai

观察你身边的某个物体，随便什么物体。它可以是你正用来阅读这篇文章的电子设备，也可以是一个茶杯、一张桌子，或是你脚下的地板。你要做的是尽可能仔细地观察它。你可能会察觉到塑料里的凸起，或者木纹里的线条、小裂缝和一些瑕疵。或许，你可以开始看到材料是如何构成的，但无论你观察得多仔细，都无法看到最小的组成部分——分子、原子、质子和中子、夸克和电子。我们生活在一个被这些相同的粒子包围的世界之中。但你可曾好奇过，这些粒子究竟从何而来？
宇宙是善于循环利用的，我们周围的一切事物都来自曾经出现过的某些东西，这在任何尺度上都是如此。例如，你的衣服是由各种各样的纤维制成的，而如果追根溯源，你会发现这些纤维都是由植物和动物产生的。所有的这些材料都是由碳氢化合物——也就是含有氢和碳的分子构成的。从某种意义上说，它们是由生物通过结合空气中的碳和水中的氢而创造出来的。但氢和碳很可能在地球形成之时就已经存在于此了。那它们是如何来到这里的？这是个说来话长，但又非常有趣的故事，它跨越了整个宇宙的历史，让我们从头开始说起。
从基本粒子到巨大星系
我们都听说过，宇宙始于大约138亿年前的大爆炸。在大爆炸之后，宇宙中主要充满了光子和中微子，还有少量能与光子相互作用的电子，以及一些很快就会形成质子和中子的基本粒子。
在几分钟的时间内，宇宙的温度和密度高到足以让质子和中子克服它们自身的斥力而聚变成原子核，形成氢、氦、锂，以及一些只能短暂存在的不稳定同位素。我们可以在最遥远（也最古老）的星系、类星体和气体云中测量这些早期元素的含量，为大爆炸理论的正确性提供重要的证据。
这时，宇宙的大小只有几光年宽，但它还不是透明的——光子只能移动非常短的距离，因为它们很快就会被这个或那个粒子吸收。由于当时的温度太高，电子无法与原子核结合，因此宇宙中充满了带正电的原子核和带负电的电子，即等离子体。所有的这些带电粒子密集地聚集在一起，阻碍了光子的自由运动。
直到大爆炸的38万年后，宇宙膨胀到足以使物质冷却，等离子体的温度才下降到能使电子、质子和原子核稳定地结合在一起。这时，带电粒子造成的混乱才被清除，光终于得以自由地在宇宙中穿行。我们在宇宙微波背景（CMB）中看到了这方面的证据。
无论从哪个角度看，我们都能看到空间中充满了微波辐射的低频背景。这是宇宙变得透明的那一刻所留下的余辉。透过射电望远镜与微波望远镜，科学家可以探测宇宙微波背景，捕捉到这些在宇宙中不受阻碍地穿行了约138亿年的光子。

宇宙变得透明的时刻。（图/原理）
在宇宙变得透明的那一刻，它突然间充满了那些我们所熟知的物质——原子核（质子和中子）与环绕着它的电子构成了总电荷为零的原子。由于没有电荷斥力让它们保持距离，在不同位置上物质密度的微小差异让它们开始因自身的引力而聚集在一起。第一个大尺度结构开始形成。
一开始，物质聚集在一起形成较为密集的块状，继而形成分子云。然后，分子云再进一步地坍缩，终于在宇宙诞生后不到2.5亿年时，达到一个临界密度。这时云内的氢开始发生聚变，启动了第一代恒星，这些恒星照亮了宇宙，它们推开周围多余的物质，成为原始的氢气迷雾中闪烁着熠熠星光的岛屿。在第一代恒星形成后，它们开始聚集成越来越大的群，最终形成了小的矮星系。接着，这些矮星系会合并在一起，形成越来越大的星系，并最终演化成为今天我们在宇宙中所看到的巨大星系。
恒星的一生与元素的诞生
我们今天所知的并观测到的所有结构都是由两种东西驱动的——引力和恒星，前者把物质聚集在一起，后者释放星光照亮了宇宙。当恒星处于它一生之中最长的时期时，它被称为主序星。它是恒星生命中经历的最平凡时期，在这段时期，恒星非常稳定，不会出现太大的变化。
在恒星的核心，核聚变通过一系列质子-质子链式反应，将氢变成氦。这个过程能持续多久取决于恒星的大小，只要核心的氢足够多，这个过程就能一直持续。恒星大多由氢构成，所以有足够多的燃料来维持很长一段时间的核聚变。对于像太阳这样的中型（G型）恒星来说，这个过程会持续80或90亿年，目前我们的太阳已历经了一半的时间。
质量比太阳更大的恒星寿命更短，因为大的恒星更加明亮，消耗燃料的速率也更快。比太阳小的恒星寿命会长得多：最小的恒星能持续燃烧数万亿年。

赫罗图，它显示了恒星在不同生命阶段时的温度和光度之间的关系。图的中部成对角线分布的是主序星。（图/ESO）
但最终，恒星内的氢会慢慢耗尽，而聚变也会开始减慢。故事开始从这一刻变得有意思起来。
当聚变仍在如火如荼地进行时，由聚变所导致的爆炸会产生一个外向力，这会与导致坍缩的内向引力相互抵消。这两股巨大力量的相互平衡，维持着这颗恒星的主序生命；但一旦恒星的燃料开始耗尽，这种平衡就会遭到破坏。随着聚变的减慢，引力开始占上风，恒星开始坍缩，核心会受到前所未有的压力。一开始，聚变还会上演一段逆袭——随着压力的增加开始聚变出更重的元素，最先将氦转变成碳，然后顺着元素周期表转变成越来越重的元素。但这也只能让这种平衡再维持一阵子。
最小的恒星——红矮星，会以最“祥和的”方式结束它们的生命。因为它们非常小，所以在它们的一生中，所有的物质都会随着对流而充分混合。这意味着，只要恒星的外层还留有氢，核心中就会不断地有新的氢供应。红矮星是唯一一种能耗尽其全部氢供应的恒星，因为它们能不断地将新的燃料混合到核心，这就是为何它们的生命周期可以这么长。当耗尽所有燃料时，红矮星最终会保持稳定，变成一颗白矮星——一颗致密的、在核心处没有聚变发生的死亡恒星。
在类太阳恒星中，这种更大、更热的聚变会将物质带向相反的方向，并开始加热刚好在核心外的物质层。这些物质层最终会变得足够热，从而像在核心中那样开始聚变。这为恒星的膨胀、冷却、变红（红色比蓝色温度更低）提供了一种额外的力。恒星的外层会膨胀得非常大，吞噬掉任何靠近它的行星——这也将是太阳、地球和我们太阳系内的其他行星的命运。
最终，一旦恒星聚变了它所可能聚变的最重元素，它的外层就会被推开，只留下致密的核心，成为一颗白矮星，并被称为行星状星云的气体云所包围。行星状星云包含了一些形成于恒星内部的元素，其物质最终会回到星际介质，帮助形成一代代新的恒星。而之所以称之为“行星状”，是因为通过早期望远镜来看，它们看起来与行星相似。

恒星的一生：不同质量的恒星有着截然不同的命运。（图/NASA and the Night Sky Network）
对于更大的恒星来说，它们的结局更加戏剧性。由于引力造成的坍缩效果要强大得多，这些恒星不会推开它们的外层物质，而是会不断收缩。随着核心中的材料进一步收缩，越来越重的元素得以聚变而成，每次都会让收缩减慢一段时间，直到新燃料开始殆尽，使得所有的一切都进一步收缩。这个循环会不断重复，直到它突然陷入死胡同。
当两个原子聚变在一起时，它们的总质量会比单原子时的质量之和更小一点点，失去的那部分质量就被转化成了能量，并以光子的形式被释放了出来。但值得注意的是——并不是所有元素都这样，这只适用于比铁轻的元素。这就是为什么我们也能通过裂变来产生能量——例如像铀这样的元素的裂变。这些元素比铁重得多，它们的总质量实际上略高于它们裂变成的元素的质量之和，因此当它们裂变时会释放能量，而聚变时会吸收能量。铁的出现标志着核聚变的“叛变”——它开始从释放能量变成吸收能量。

核结合能曲线。由聚变和裂变所释放的能量如何随原子核的大小而变化。随着原子核大小的增加，聚变所释放的能量就更多，直到铁（Fe）出现，能量释放达到峰值，随后释放的能量开始减少。（图/维基共享资源）
那么，对于一颗年事已高、正沿着元素周期表逐个聚变出越来越重的元素的大型恒星来说，这意味着什么呢？这意味着它最终会产生铁。而当这一幕发生时，一切都结束了。它具有产生铁原子的能力，但这样做只会消耗能量而不是释放能量。一旦恒星开始产生铁，就再也没有任何事物可以阻止引力的无情摧毁。核心会在自身的引力下坍缩，没有什么能够阻挡这一切发生。这种不受阻碍的坍缩会形成超新星，其核心坍缩的速度快到足以引发一场突然的聚变爆发，并最终变成一颗中子星或一个黑洞。在坍缩和爆炸过程中，正当一切开始冷却，恒星就开始制造宇宙中的重元素。
超新星并不是唯一能产生重元素的地方。中子星之间的并合实际上也可以产生重元素。中子星的密度非常大（质量略大于太阳，但直径只有数千米），当两颗中子星相撞时，会产生一种被称为千新星的爆发事件。在千新星过程中，原子核聚变成最重的不稳定元素，再衰变成更为稳定的元素。

元素周期表及元素起源。（图片素材/珍妮弗·约翰森 & 欧洲航天局、美国国家航空航天局、AAS Nova）
任何比铁重的东西——珠宝里的黄金、电子设备中的铜、烟雾探测器里的镅——都产生于巨大的恒星坍缩以及中子星合并的瞬间，然后出现在周围的物质中。超新星和千新星产生了所有的这些物质，并将它们抛回宇宙中。
用天文学中略显神秘晦涩的说法来讲，除了氢和氦之外的一切元素都是“金属”。一颗恒星中的金属含量（由多少氢和氦以外的物质构成）被称为这颗恒星的金属丰度。
恒星，不止一代
每一颗恒星的死亡都会向太空抛射一次金属，新的恒星会从旧的恒星残骸中形成。这意味着每一代新的恒星所含有的金属比例都比上一代高。这是可以通过光谱学（观测哪些波长的光被发射，哪些被吸收）来测量的东西，同时这也是估算恒星年龄的一种方法。金属丰度低的恒星形成于宇宙生命的更早期，金属丰度高的恒星则更加年轻。
根据恒星的金属丰度，天文学家将它们分成三类：星族I是最年轻、且最富含金属的恒星；星族II是古老的、只含有少量金属的恒星；星族III是几乎不含金属的恒星——它们是宇宙中的第一代恒星（尽管目前我们还没有真正的观测到它们）。

第一代恒星和太阳的成分的比较。（图/STScl）
与早期的恒星相比，后期出现的恒星具有不同的大小和颜色。早期的恒星往往比后来的恒星更大，因此它们的寿命往往更短。它们更大的体型也让它们比我们想象中的更蓝。所有的恒星在开始时都是偏蓝的，随着年龄的增长和温度的降低，它们会变得越来越红，但更古老的恒星会因为起始温度较高，而更长时间的维持偏蓝的色调。
“平平无奇”的太阳系
太阳并没有任何特别之处，它属于星族I，与其他恒星没有什么不同，它的形成也与其他恒星一样：由过去的恒星残留下的气体和尘埃形成。太阳系中的所有物质几乎都落入了太阳本身——它自身占太阳系总质量的99.8%，剩下的形成了行星。当太阳开始形成的时候（即当气体云开始坍缩时），角动量守恒使得这些气体云开始旋转并形成一个被称为原行星盘的物质盘，所有的行星和它们的卫星，连同彗星和小行星，以及其他一切都是由此而形成的。
由于原行星盘的金属丰度决定了行星形成时有什么物质，所以一颗恒星的金属丰度能告诉我们如今有哪些可能的行星在围绕恒星运行。一颗金属丰度较低的恒星周围不太可能存在太多大的行星。行星需要一个坚固的内核才能形成，而尘埃云中的金属就像是形成新行星的种子。
原行星盘会在恒星生命早期剧烈的金牛T阶段蒸发，这一阶段有极强的恒星风，会将较轻的元素吹离恒星。在这个阶段，如果原行星盘的金属丰度较低，那么它就会蒸发得更快，留给行星形成的时间也就越短，这些行星也就因此无法变得很大。
通过将金属丰度（光谱）与来自如开普勒望远镜等系外行星调查的结果进行比较，天文学家证实了金属丰度与气态巨行星数量之间的相关性。开普勒在恒星周围发现了一些小的行星，它们的金属丰度各不相同，但在金属丰度较低的地方，似乎没有那么多大的行星。这意味着只有在经历过几代恒星的存在和消失之后，才可以形成像太阳系这样的恒星系统。

环绕在年轻的恒星金牛座HL周围的原行星盘。（图/ALMA）
太阳系的原行星盘一旦形成，密度上的微小差异会导致其中的一些物质开始聚集在，较重的物质开始形成岩心，气体和较轻的固体开始聚集在岩心周围。这些聚集的块会相互碰撞、合并，从而聚集更多的零散物质，变得越来越大。一开始只是小的石子，再到大一点的卵石，然后成了小行星，再往后就变成了行星。拜金牛T星风所赐，在一些离太阳较近的区域具有更高比例的岩石物质，这便是形成像地球和火星这样的行星的区域。更远的地方主要被氢气和氦气占据，这便是气态巨行星形成的区域。
当行星形成之后，它们会四处迁移，发生很多的碰撞——这是一段动荡的岁月。其实，“行星”一词的英文“planet”就源于希腊语中的“漂泊者”，早期太阳系中的行星也确实名副其实。这些气态巨行星会相互作用，改变彼此的运行轨道，分散那些更小的天体，将大量的小行星抛入太阳系内部，引发了一段被称为晚期重轰炸期的时期。一些本可存在的行星被抛入太阳，还有一些则被驱逐出太阳系，流放到了星际空间。我们不知道它们现在在哪——它们已迷失在深邃的太空中，但可以确定的是，它们还在银河系的某个地方。
行星与行星之间的相撞，使得一些行星被摧毁，粉碎成无数的小碎片。还有一些在相撞后结合了起来，合并成更大的行星。我们今天所看到都是在这场混乱中有幸存的行星，是被幸运之神眷顾的那几个。
我们都是星尘
我们的地球，起初是一个非常炎热、干燥、覆盖着熔岩的星球。出现在晚期重轰炸期早期的那些高频率、高强度的撞击，触发了火山活动，使得地球表面被熔浆覆盖了数亿年。最终，在更广阔的太阳系里，事物慢慢趋于平静，尽管大大小小的碰撞直今仍可能发生（比如流星和导致恐龙灭绝的撞击事件），但那些特大的撞击事件变得不那么频繁。
当碰撞减缓时，地球开始冷却。这时，地球上的故事开始变得有趣。随着物质冷却，海洋开始得以形成。虽然水的起源还有待商榷，但无论来自何方，水从大气中凝结到海洋里，为生命的形成开辟了道路。
岩石、空气、水、你的身体……地球上一切的一切，都是由曾属于恒星的某一部分物质所构成的。46亿年前，我们的太阳从死亡恒星的残骸物质中诞生。1亿多年后，地球也诞生了。如此看来，我们的确都是由星尘构成的。我们体内的原子是某个早在地球存在之前就已经死亡的恒星的一部分。我们很难弄清宇宙的大小，我们很容易把宇宙想象成是离我们很遥远的某种东西，某种与我们并无关系的事物，但这其实是种错觉。在宇宙中，没有这里和那里之分，一切都是相同的。同样的物理定律、同样的原子、同样的宇宙。正如我们是宇宙的一部分，而宇宙也在我们的生命中。
#创作团队：
撰文：亚当·麦克马斯特（Adam McMaster）
设计：岳岳/雯雯
#参考来源：
https://www.pbs.org/wgbh/aso/databank/entries/dp65co.html
https://www.eso.org/public/images/eso0728c/
https://www.ast.cam.ac.uk/public/ask/2451
https://www.space.com/23772-red-dwarf-stars.html
https://www.universetoday.com/123516/why-do-red-dwarfs-live-so-long/
https://physicsworld.com/a/gw170817-kilonova-what-happened-next/
http://www.astronomy.ohio-state.edu/~jaj/nucleo/
http://www.astronomy.com/news/2015/06/the-very-large-telescope-discovers-brightest-distant-galaxy-and-signs-of-population-iii-stars
http://www.astrobio.net/news-exclusive/when-stellar-metallicity-sparks-planet-formation/
https://three-alpha.space/the-solar-system-has-a-lot-of-water/
#图片来源：
封面图&首图：新原理研究所