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來自恆星的遺產

宇宙學家列舉了我們每個人體內的元素可能的幾種起源過程,除了氫是在宇宙大爆炸之後不久凝聚而成的,其他所有的元素都跟恆星衰亡有關。例如在Ia型超新星中,一顆恆星從相鄰的伴星那裡吸取物質,在超過極限後發生爆炸。在II型「核心坍縮」超新星中,質量數倍於太陽的恆星因燃料耗盡而自行坍縮,隨後爆炸。還有一種情形,質量非常巨大的恆星會發射物質與反物質顆粒,兩者接觸時會發生湮滅,最終的歸宿則是「不穩定對超新星」。如今,這類景象可以通過哈勃或斯皮策這些空間望遠鏡直接或間接觀測到,也可在地面天文台觀測到。

體內有鐵的存在表明,你的原子祖先可以追溯到爆炸的恆星,而今天可以看到的超新星與星雲,可以讓你知道這些恆星搖籃早期的模樣。蟹狀星雲便是其中之一,那激盪的氣體與塵埃雲,與我們太陽系形成前的狀態頗為相似。在望遠鏡下,它看上去好像只是一團毫不出奇的煙霧,但實際上,它是一場橫跨萬億英里的灰燼風暴,曾經屬於一顆質量相當於8到16個太陽的恆星。儘管核心坍縮爆炸在700多萬年前創造了這一切,但如今我們看到的星雲仍然在劇烈燃燒,並且以大約每秒1000英里(1609千米)的速度膨脹。對發光的點、線條與塵霧進行光譜分析後發現,星雲中含有的物質主要是氫,還有鐵和其他一些元素。通過從地球上最冷的地點採集到的新數據,我們現在可以提供更多證據,以支持蟹狀星雲與銀河最熱的位置之一——公元1054年那顆將光芒傳送6500光年後抵達地球的垂死客星——之間的聯繫。

蟹狀星雲。感謝NASA支持

2001年,日本科研團隊在南極冰川鑽取了一根冰芯。在大約48米深度的區間,他們發現氮氧化物的濃度有一次突躍,時間正好對應公元1054年;在更下層的位置,還有一次突躍對應在公元1006年,也就是另一個客星出現的年份。不久後,堪薩斯大學的科學家也發表報告稱,對格陵蘭島的冰芯進行的研究也發現了類似的結果。最可能引起這種全球性同步脈衝的原因,應該就是超新星輻射出的宇宙射線將空氣中的氮氣分子氧化,隨後又沉積到了地球上。

這便是論證「客星就是超新星」的確鑿證據,現在它們的編號已是SN1006和SN1054。如今你仍然可以在蟹狀星雲看到SN1054的煙雲。

很多證據都表明,太陽與地球的發祥地位於蟹狀星雲的左側,在獵戶座腰帶上懸掛的那把劍上。那把劍中間的「星星」實際上是很多顆恆星,飄浮在一團由恆星射線與超新星爆炸構建的星雲中。圍繞這些恆星的煙霧,主要是氫和氦,其中夾雜了一些粉末狀的冰以及含鐵礦石碎片。最新的研究發現這些恆星中最年輕的還不足100萬年,用宇宙的視角看,這不過是眨眼之間,並且有些恆星還在孕育過程中。

恆星通常是在這樣的公共育兒所裡出生,這也是很合理的,因為大多數恆星形成所需要的原材料都已在此處聚集。那麼,哪裡才是我們自己的家園所在地?我們的太陽獨一無二,這似乎很怪異。半人馬座的比鄰星是距離我們最近的鄰居之一,位於4光年外。如果乘著每小時行進約4萬英里的「旅行者一號」空間探測器去造訪它,大約需要8萬年。一些學者認為,在誕生後不久,也許因為很久以前某個巨大恆星經過時造成的引力回流,年輕的太陽便從發源地被甩了出來。

在獵戶座星雲內部那些發光的氣體與塵埃中,也存在著一些破碎的條紋。它們是災難性爆炸中產生的超音速拋射物劃過的軌跡,這些拋射物就像是裝了發光火帽的子彈,但體積卻有太陽系的數倍大小。對於宇宙學家而言,這種元素的存在就好比是在兇殺現場的火藥痕跡,因為鐵就是毀滅恆星的兇手。

產生這些條紋的星體肯定要比太陽大得多,但它的壽命相對較短,大約也就是幾千萬年,因為超巨星消耗很快。它和SN1054以及產生太陽系的母體一樣,應該都是死於「鐵中毒」。這些結論都可以根據我們目前已知的星體核聚變方式推斷出來。

當恆星剛剛產生之時,它將氫核聚合成氦核,按照愛因斯坦所描述的方式,釋放出巨大能量。我們的太陽也在持續不斷發生著核聚變,每一秒鐘都會將數百萬噸的物質轉化為熱量、可見光以及其他形式的能量。下一次當你暼見太陽時,試著把它想像成一顆星星,不必管它是一顆大到足夠裝得下100萬個地球的中等尺寸恆星。太陽表面的溫度大約有5500攝氏度,而內核的溫度則將近1400萬攝氏度。所以,即便太陽距離我們很遠,遠到光都要跑上8分鐘才能抵達地球,但它仍然可以灼傷我們的眼睛和裸露的皮膚。想像一下這些能量的源頭是何等殘酷的地獄,原子在那裡又遭受了何等的虐待。火焰般的氫核主導著核聚變,這可以追溯到宇宙形成之初,但它們在太陽核心絲絲作響的這段時間可能是它們存在史上最有壓力的時期。這台大熔爐產生的光和熱,從某種意義上講,就是原子受盡折磨時發出的呼喊,只不過其形式是電磁波。

宇宙學家對我們太陽系形成前的細節尚有爭議,我們也不可能知道所有答案。但是地球上富含鐵元素的事實,可以在那些合理的爭議中肯定其中一部分細節。至少曾經有一顆核心坍縮超新星,用它自己毀滅時留下的殘骸,為我們太陽系的誕生播下了火種。

這顆遠古超新星的起源是一顆恆星,在它製造新元素以前的數百萬年裡,一直進行著氫氦聚變。質子與中子聚集成更大的核,於是在恆星的中心位置,逐漸形成了較重的核,而較輕的元素像洋蔥一樣,一層層地包裹在外。

這一進程的早期,當星體核心的溫度飆升至數百萬攝氏度時,碳核開始形成,並持續數個世紀。在這顆恆星最終死亡之後,這些原子大多數聚集成微型的鑽石與小顆粒的石墨,再後來就成了鑽石與鉛筆的原料,以及你頭髮、肌肉和細胞膜中的碳框架。

在星核的外圍,氦與碳發生聚變,並產生大量氧核,現在它們以水的形式存在於你的體內,或是以氧氣的形式被你吸到肺裡。在涉及碳和氧的核聚變循環中也形成了氮,它們中的一部分現在是穀物的肥料,還有一些則以其特有的方式進入到你的基因和蛋白質裡。當星核的溫度達到10億攝氏度時,過熱的氧核就會結合到一起產生硅,如今在你腳下的岩石地殼,便主要由它們構成。

大約幾周後,硅核在接近星體中心的位置聚集,你身體中含有的其他大部分元素都會在俄羅斯套娃一般的分層中產生。你骨骼中的鈣和磷、你汗水中的鈉和氯、你神經中的鉀,大部分都出自這樣一個熔爐。同時,等離子體與凝聚態原子形成巨大漩渦,從火球的表面逃離,向數百萬英里外的太空散射氣體與塵埃。

當發展到多層聚合這一步時,形成新元素時產生的聚變熱量,仍然足以支持恆星持續燃燒,不會因自重而坍縮。然而隨著原子核越來越大,能量的平衡便會因重力而被打破。

帶正電的質子會互相排斥,除非有一股力量讓它們強烈碰撞並結合在一起。這種核力比重力要強上萬億倍,但只能在極短的距離內起作用,而且在原子核變大了的時候,質子相互之間的斥力會對核力產生明顯抵消作用。因為這些對立的因素,過大的鐵核發生聚變時就難以產生足夠的熱量以支撐起星體。

要理解原子核內這兩種力量間的競爭,可以想像一下將一塊巨石推到陡峭的山頂之上,就像希臘神話中的西西弗斯那樣。你需要用盡全部力量把石頭推到坡頂,可等你到了那裡時,重力就會從你手中將石頭奪走,遠遠地將它滾到另一端。這個突然向前的動作還有你肌肉的張力釋放,很像是星體中心核聚變能量的爆發。但是,如果你準備最後一推時,腳底突然打滑會怎樣呢?你就得原地守住你的位置,而對石頭而言,它並不會區別哪面山坡的下面是終點。更糟糕的是,如果地面太滑,石頭會壓過你向下滾去。當孕育太陽系的那顆恆星開始熔鑄鎳核時,其內部便會出現類似的不穩定態,鐵核會迅速產生,越過了這一臨界點後,隨之而來的後果便是災難性的。

過多的質子很難在較大的原子核中繼續守住它們的位置,因此含有大量鐵原子核的等離子體不斷增加,消耗的能量逐漸與新產生的能量持平。在幾個小時甚至幾分鐘內,一個與地球差不多大小的金屬原子核球體就此產生,星體開始因自己產生的灰燼而「窒息」,直到失去與重力對抗的力量時,內核便突然發生坍縮。

強大的壓力與高溫將鐵核碾成一個直徑只有幾英里的球,堅硬且密度超高。原子通常不會被擠壓到這個程度,但此時原子核已經在等離子態的熱混沌體中失去了保護性的電子雲,故而可以被如此緊密地堆積,一茶匙就差不多跟地球上的10億噸一般重。根據美國國家航空航天局錢德拉X射線天文台網站的說法,這樣的壓力,相當於是將全世界的所有人擠到方糖大小的格子中所需的壓力。

星體內部的坍塌,在萎縮的星核表面與外層的等離子體之間,形成了一層可怕的空隙。幾秒鐘後,失去支撐的外層也發生坍縮,撞到緻密的星核,然後又反彈穿過星體的更外層,驚人的爆炸便由內而外地發生了,釋放出大量熱、光和亞原子粒子。超新星的亮度比太陽要高出數百萬倍,所以楊惟德與伊本·巴特蘭在白天就能用肉眼看到幾千光年以外的光芒,同時,隨可見光一同抵達地球的宇宙射線,製造了一場氮氧化物「暴雨」,橫跨了南北兩極。

在衝擊波橫掃氣體與塵埃構成的星雲時,自身也會誘發短暫的核聚變。一部分磷核會通過這種方式產生,與此同時,金元素、稀土元素以及其他比鐵重的原子都會在這短暫存在的爆炸裡首次出現。體積大到足以發生如此耀眼爆炸的星體相對較少,再加上過程短暫,所以重元素相對也就不那麼常見——最終結果就是,對我們而言,它們比常見元素更昂貴。這一切,你應該感謝血液中流淌的恆星殺手——鐵,正是它的存在,才使得金和其他稀有金屬擁有了現在的價值。

太陽的誕生多虧了鐵。衝擊波將大量爆炸的碎片清除,並在鄰近星體高能衝擊波的協助下,形成旋轉的星團。一些更為緻密的星團所產生的引力吸取了足夠物質,從而引發新的核聚變,其中最大的一些星團應該在衝擊波剛剛經過時就已經被點燃了。所以最終的結果就是,死亡的衝擊波,卻點亮了一些新生的恆星,其中也包括我們的太陽。

地球的誕生也要歸功於鐵。當新生的太陽從它誕生的星雲離開時,一些碎石形成緩慢旋轉的盤狀體環繞在周圍,它們來自一個或多個因「鐵中毒」而爆炸的星體,逐漸通過水分、磁力、引力或靜電吸引聚集起來。當早期的地球成長到足夠大時,其自身的重力便將其塑造成了球形,內部是密實的金屬核,外層的地殼則是薄薄的一層岩石。

當你身處地球之上,你還需要再次感謝鐵,你的煎鍋、鑰匙和汽車,你信用卡上的磁條以及控制羅盤的地球磁場都歸功於它。而在地球上存在了40多億年後,這些已經硬化的「母星之血」,仍然在你的血液和組織中扮演著毀滅者與創造者的雙重角色。