为什么说我们都是星尘？

观察你身旁的某个物体，随意什么物体。它可所以你正用来阅读这篇文章的电子装备，也可以是一个茶杯、一张桌子，或是你脚下的地板。你要做的是尽能够仔细地观察它。你能够会发觉到塑料里的突出，大概木纹里的线条、小裂缝和一些瑕疵。也许，你可以起头看到材料是若何组成的，但不管你观察很多仔细，都没法看到最小的组成部分——份子、原子、质子和中子、夸克和电子。我们生活在一个被这些不异的粒子包围的天下当中。但你可曾猎奇过，这些粒子究竟从何而来？
宇宙是长于循环操纵的，我们四周的一切事物都来自已经出现过的某些工具，这在任何标准上都是如此。例如，你的衣服是由各类百般的纤维制成的，而假如追根溯源，你会发现这些纤维都是由动物和动物发生的。一切的这些材料都是由碳氢化合物——也就是含有氢和碳的份子组成的。从某种意义上说，它们是由生物经过连系空气中的碳和水中的氢而缔造出来的。但氢和碳极能够在地球构成之时就已经存在于此了。那它们是若何来到这里的？这是个说来话长，但又很是风趣的故事，它跨越了全部宇宙的历史，让我们重新起头说起。
  从根基粒子到庞大星系  
我们都听说过，宇宙始于大约138亿年前的大爆炸。在大爆炸以后，宇宙中首要布满了光子和中微子，还有少许能与光子相互感化的电子，以及一些很快就会构成质子和中子的根基粒子。
在几分钟的时候内，宇宙的温度和密度高到足以让质子和中子克服它们本身的斥力而聚酿成原子核，构成氢、氦、锂，以及一些只能长久存在的不稳定同位素。我们可以在最悠远（也最陈腐）的星系、类星体和蔼体云中丈量这些早期元素的含量，为大爆炸理论的正确性供给重要的证据。
这时，宇宙的巨细只要几光年宽，但它还不是通明的——光子只能移动很是短的间隔，由于它们很快就会被这个或阿谁粒子吸收。由于那时的温度太高，电子没法与原子核连系，是以宇宙中布满了带正电的原子核和带负电的电子，即等离子体。一切的这些带电粒子麋集地聚集在一路，障碍了光子的自在活动。
直到大爆炸的38万年后，宇宙收缩到足以使物资冷却，等离子体的温度才下降到能使电子、质子和原子核稳定地连系在一路。这时，带电粒子酿成的紊乱才被断根，光终究得以自在地在宇宙中穿行。我们在宇宙微波布景（CMB）中看到了这方面的证据。
不管从哪个角度看，我们都能看到空间中布满了微波辐射的低频布景。这是宇宙变得通明的那一刻所留下的余辉。透过射电千里镜与微波千里镜，科学家可以探测宇宙微波布景，捕捉到这些在宇宙中不受障碍地穿行了约138亿年的光子。

宇宙变得通明的时辰。（图/道理）
在宇宙变得通明的那一刻，它忽然间布满了那些我们所熟知的物资——原子核（质子和中子）与环抱着它的电子组成了总电荷为零的原子。由于没有电荷斥力让它们连结间隔，在分歧位置上物资密度的细小差别让它们起头因本身的引力而聚集在一路。第一个大标准结构起头构成。
一路头，物资聚集在一路构成较为麋集的块状，继而构成份子云。然后，份子云再进一步地坍缩，终究在宇宙诞生后不到2.5亿年时，到达一个临界密度。这时云内的氢起头发生聚变，启动了第一代恒星，这些恒星照亮了宇宙，它们推开四周过剩的物资，成为原始的氢气迷雾中闪灼着熠熠星光的岛屿。在第一代恒星构成后，它们起头聚集成越来越大的群，终极构成了小的矮星系。接着，这些矮星系会合并在一路，构成越来越大的星系，并终极演变成为明天我们在宇宙中所看到的庞大星系。
  恒星的平生与元素的诞生  
我们明天所知的并观察到的一切结构都是由两种工具驱动的——引力和恒星，前者把物资聚集在一路，后者开释星光照亮了宇宙。当恒星处于它平生当中最长的期间时，它被称为主序星。它是恒星生射中履历的最普通期间，在这段期间，恒星很是稳定，不会出现太大的变化。
在恒星的焦点，核聚变经过一系列质子-质子链式反应，将氢酿成氦。这个进程能延续多久取决于恒星的巨细，只要焦点的氢充足多，这个进程就能一向延续。恒星大多由氢组成，所以有充足多的燃料来保持很长一段时候的核聚变。对于像太阳这样的中型（G型）恒星来说，这个进程会延续80或90亿年，今朝我们的太阳已历经了一半的时候。
质量比太阳更大的恒星寿命更短，由于大的恒星加倍明亮，消耗燃料的速度也更快。比太阳小的恒星寿命会长很多：最小的恒星能延续熄灭数万亿年。

赫罗图，它显现了恒星在分歧生命阶段时的温度和光度之间的关系。图的中部成对角线散布的是主序星。（图/ESO）
但终极，恒星内的氢会渐渐耗尽，而聚变也会起头减慢。故事起头从这一刻变得成心机起来。
当聚变仍在如火如荼地停止时，由聚变而至使的爆炸会发生一个外向力，这会与致使坍缩的外向引力相互抵消。这两股庞大气力的相互平衡，保持着这颗恒星的主序生命；但一旦恒星的燃料起头耗尽，这类平衡就会遭到破坏。随着聚变的减慢，引力起头占上风，恒星起头坍缩，焦点会遭到史无前例的压力。一路头，聚变还会上演一段逆袭——随着压力的增加起头聚变出更重的元素，最早将氦转酿成碳，然后顺着元素周期表转酿成越来越重的元素。但这也只能让这类平衡再保持一阵子。
最小的恒星——红矮星，会以最“平和的”方式竣事它们的生命。由于它们很是小，所以在它们的平生中，一切的物资城市随着对流而充实夹杂。这意味着，只要恒星的外层还留有氢，焦点中就会不竭地有新的氢供给。红矮星是唯逐一种能耗尽其全数氢供给的恒星，由于它们能不竭地将新的燃料夹杂到焦点，这就是为何它们的生命周期可以这么长。当耗尽一切燃料时，红矮星终极会连结稳定，酿成一颗白矮星——一颗致密的、在焦点处没有聚变发生的灭亡恒星。
在类太阳恒星中，这类更大、更热的聚变会将物资带向相反的偏向，并起头加热恰幸亏焦点外的物资层。这些物资层终极会变得充足热，从而像在焦点中那样起头聚变。这为恒星的收缩、冷却、变红（红色比蓝色温度更低）供给了一种额外的力。恒星的外层会收缩得很是大，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。
终极，一旦恒星聚变了它所能够聚变的最重元素，它的外层就会被推开，只留下致密的焦点，成为一颗白矮星，并被称为行星状星云的气体云所包围。行星状星云包括了一些构成于恒星内部的元素，其物资终极会回到星际介质，帮助构成一代代新的恒星。而之所以称之为“行星状”，是由于经过早期千里镜来看，它们看起来与行星类似。

恒星的平生：分歧质量的恒星有着截然分歧的命运。（图/NASA and the Night Sky Network）
对于更大的恒星来说，它们的终局加倍戏剧性。由于引力酿成的坍缩结果要强大很多，这些恒星不会推开它们的外层物资，而是会不竭收缩。随着焦点中的材料进一步收缩，越来越重的元素得以聚变而成，每次城市让收缩减慢一段时候，直到新燃料起头殆尽，使得一切的一切都进一步收缩。这个循环会不竭反复，直到它忽然堕入死胡同。
当两个原子聚变在一路时，它们的总质量会比单原子时的质量之和更小一点点，落空的那部分质量就被转化成了能量，并以光子的形式被开释了出来。但值得留意的是——并不是一切元素都这样，这只适用于比铁轻的元素。这就是为什么我们也能经过裂变来发生能量——例如像铀这样的元素的裂变。这些元素比铁重很多，它们的总质量现实上略高于它们裂酿成的元素的质量之和，是以当它们裂变时会开释能量，而聚变时会吸收能量。铁的出现标志着核聚变的“哗变”——它起头从开释能量酿成吸收能量。

核连系能曲线。由聚变和裂变所开释的能量若何随原子核的巨细而变化。随着原子核巨细的增加，聚变所开释的能量就更多，直到铁（Fe）出现，能量开释到达峰值，随后开释的能量起头削减。（图/维基同享资本）
那末，对于一颗年龄已高、正沿着元素周期表逐一聚变出越来越重的元素的大型恒星来说，这意味着什么呢？这意味着它终极会发生铁。而当这一幕发生时，一切都竣事了。它具有发生铁原子的才能，但这样做只会消耗能量而不是开释能量。一旦恒星起头发生铁，就再也没有任何事物可以阻止引力的无情摧毁。焦点会在本身的引力下坍缩，没有什么可以阻挡这一切发生。这类不受障碍的坍缩会构成超新星，其焦点坍缩的速度快到足以激发一场忽然的聚变爆发，并终极酿成一颗中子星或一个黑洞。在坍缩和爆炸进程中，正当一切起头冷却，恒星就起头制造宇宙中的重元素。
超新星并不是唯一能发生重元素的地方。中子星之间的并合现实上也可以发生重元素。中子星的密度很是大（质量略大于太阳，但直径只稀有千米），当两颗中子星相撞时，会发生一种被称为千新星的爆发事务。在千新星进程中，原子核聚酿成最重的不稳定元素，再衰酿成更加稳定的元素。

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）
任何比铁重的工具——珠宝里的黄金、电子装备中的铜、烟雾探测器里的镅——都发生于庞大的恒星坍缩以及中子星合并的瞬间，然后出现在四周的物资中。超新星和千新星发生了一切的这些物资，并将它们抛回宇宙中。
用天文学中略显奥秘艰涩的说法来说，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（由几多氢和氦之外的物资组成）被称为这颗恒星的金属品貌。
  恒星，不止一代  
每一颗恒星的灭亡城市向太空抛射一次金属，新的恒星会从旧的恒星残骸中构成。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。这是可以经过光谱学（观察哪些波长的光被发射，哪些被吸收）来丈量的工具，同时这也是预算恒星年龄的一种方式。金属品貌低的恒星构成于宇宙生命的更早期，金属品貌高的恒星则加倍年轻。
按照恒星的金属品貌，天文学家将它们分红三类：星族I是最年轻、且最富含金属的恒星；星族II是陈腐的、只含有少许金属的恒星；星族III是几近不含金属的恒星——它们是宇宙中的第一代恒星（虽然今朝我们还没有实在的观察到它们）。

第一代恒星和太阳的成份的比力。（图/STScl）
与早期的恒星相比，前期出现的恒星具有分歧的巨细和色彩。早期的恒星常常比后来的恒星更大，是以它们的寿命常常更短。它们更大的体型也让它们比我们设想中的更蓝。一切的恒星在起头时都是偏蓝的，随着年龄的增加和温度的下降，它们会变得越来越红，但更陈腐的恒星会由于肇端温度较高，而更长时候的保持偏蓝的色彩。
  “平平无奇”的太阳系  
太阳并没有任何出格之处，它属于星族I，与其他恒星没有什么分歧，它的构成也与其他恒星一样：由曩昔的恒星残留下的气体和灰尘构成。太阳系中的一切物资几近都落入了太阳自己——它本身占太阳系总质量的99.8%，剩下的构成了行星。当太阳起头构成的时辰（即当气体云起头坍缩时），角动量守恒使得这些气体云起头扭转并构成一个被称为原行星盘的物资盘，一切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构成的。
由于原行星盘的金属品貌决议了行星构成时有什么物资，所以一颗恒星的金属品貌能告诉我们现在有哪些能够的行星在围绕恒星运转。一颗金属品貌较低的恒星四周不太能够存在太多大的行星。行星需要一个坚忍的内核才能构成，而灰尘云中的金属就像是构成新行星的种子。
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，假如原行星盘的金属品貌较低，那末它就会蒸发得更快，留给行星构成的时候也就越短，这些行星也就是以没法变得很大。
经过将金属品貌（光谱）与来自若开普勒千里镜等系外行星观察的成果停止比力，天文学家证实了金属品貌与气态巨行星数目之间的相关性。开普勒在恒星四周发现了一些小的行星，它们的金属品貌各不不异，但在金属品貌较低的地方，似乎没有那末多大的行星。这意味着只要在履历过几代恒星的存在和消失以后，才可以构成像太阳系这样的恒星系统。

环抱在年轻的恒星金牛座HL四周的原行星盘。（图/ALMA）
太阳系的原行星盘一旦构成，密度上的细小差别会致使其中的一些物资起头聚集在，较重的物资起头构成岩心，气体和较轻的固体起头聚集在岩心四周。这些聚集的块会相互碰撞、合并，从而聚集更多的零星物资，变得越来越大。一路头只是小的石子，再到大一点的卵石，然后成了小行星，再往后就酿成了行星。拜金牛T星风所赐，在一些离太阳较近的地区具有更高比例的岩石物资，这即是构成像地球和火星这样的行星的地区。更远的地方首要被氢气和氦气占据，这即是气态巨行星构成的地区。
当行星构成以后，它们会四周迁移，发生很多的碰撞——这是一段动乱的光阴。实在，“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切名副实在。这些气态巨行星会相互感化，改变相互的运转轨道，分离那些更小的天体，将大量的小行星抛入太阳系内部，激发了一段被称为晚期重轰炸期的期间。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，放逐到了星际空间。我们不晓得它们现在在哪——它们已丢失在深邃的太空中，但可以肯定的是，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，破坏成无数的小碎片。还有一些在相撞后连系了起来，合并成更大的行星。我们明天所看到都是在这场紊乱中有幸存的行星，是被荣幸之神眷顾的那几个。
  我们都是星尘  
我们的地球，开初是一个很是酷热、枯燥、覆盖着熔岩的星球。出现在晚期重轰炸期早期的那些高频次、高强度的撞击，触发了火山活动，使得地球概况被熔浆覆盖了数亿年。终极，在更广漠的太阳系里，事物渐渐趋于安静，虽然大巨细小的碰撞直今仍能够发生（比如流星和致使恐龙灭绝的撞击事务），但那些特大的撞击事务变得不那末频仍。
当碰撞减缓时，地球起头冷却。这时，地球上的故事起头变得风趣。随着物资冷却，陆地起头得以构成。虽然水的起源还有待商议，但不管来自何方，水从大气中凝聚到陆地里，为生命的构成斥地了门路。
岩石、空气、水、你的身材……地球上一切的一切，都是由曾属于恒星的某一部分物资所组成的。46亿年前，我们的太阳从灭亡恒星的残骸物资中诞生。1亿多年后，地球也诞生了。如此看来，我们简直都是由星尘组成的。我们体内的原子是某个早在地球存在之前就已经灭亡的恒星的一部分。我们很难弄清宇宙的巨细，我们很轻易把宇宙设想成是离我们很悠远的某种工具，某种与我们并无关系的事物，但这实在是种错觉。在宇宙中，没有这里和那边之分，一切都是不异的。一样的物理定律、一样的原子、一样的宇宙。正如我们是宇宙的一部分，而宇宙也在我们的生射中。
#创作团队：
撰文：亚当·麦克马斯特（Adam McMaster）
设想：岳岳/雯雯
#参考来历：
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/
#图片来历：
封面图&首图：新道理研讨所


上一篇：观察美苏冷战发生的经济视角
下一篇：网传华为与多国政府签订手机采购协议？华为在线辟谣