恆星不但在其周圍區域創造出巨大的能量流，也創造新物質，新的化學元素。對下一層級的複雜性而言，這些化學元素至關重要。這就是我們把正在消亡的恆星中新化學元素的創造視為第 3 道主要門檻的原因。有了新的化學元素，就有可能以新的、更複雜方式將原子結合起來，從而創造出新的物質。在跨越第 3 道門檻之後，宇宙在化學上變得更複雜（參見門檻 3 概述）。
門檻
成分▲
結構▲
金鳳花環境 ＝
突現屬性
較重的化學元素
氫原子核與氦原子核（即質子）。
強核力將越來越多的質子數結合成更大的原子核。
即將消失的恆星或（甚至更極端）超新星中創造出的高溫+強核力。
化合作用（主要通過電磁）有可能創造出幾乎無限多的新物質。
我們已經瞭解到，在早期宇宙中，原子物質基本上是由氫和氦組成。我們很難想像，兩種元素可以創造出我們這種複雜的世界。之所以這麼說，部分原因在於氦元素是惰性的；它不會與其他任何元素發生反應。行星、細菌以及人類要想出現的話，就需要更多樣化的化學元素。今天，我們擁有的不只是那兩種元素，而是 92 種不同的穩定元素，另外還有一些，它們很容易分解，因為它們龐大的原子核會因為大量質子之間的排斥力而分裂。
創造新的化學元素是中世紀煉金術士的夢想。許多人認為，通過鍛造新化學元素或將鉛轉化為金，他們就能夠煉出生命的仙丹，即逃脫死亡的靈丹妙藥。我們現在很清楚，在垂死的恆星的熔爐中，新化學元素正在宇宙中形成。通過創造這些元素，恆星留給宇宙的，不是長生不老仙丹，而是生命本身的可能性。
化學元素
今天，原子呈現為 92 種不同形式或元素（還有更多的元素，比如鈽，它們非常不穩定，我們一般很難見到）。正如前面所說，原子主要由原子核構成，原子核包含帶正電荷的質子。大多數原子核也包含被稱為中子的粒子，它們類似於質子，但是不帶電荷。帶負電荷的電子遠遠地繞原子核旋轉；用納塔莉·安吉爾（Natalie Angier）的話來說：「如果原子核是位於地球核心的籃球場，那麼電子就像櫻桃核那樣在大氣最外層嗡嗡地旋轉。」１ 電子的質量只有質子的 1/1800，但是，它們的負電荷與質子的一樣，因此，正負電荷通常相互抵消，從而大多數原子也就呈電中性。當處於原子邊緣的電子與相鄰原子結合在一起時，就會形成分子和化合物，通過把這 92 種原子結合成更複雜的結構，如分子或化合物，就創造出了我們周圍的各種物質。化學的主要任務，就是詳盡地解釋化學元素如何結合起來創造出更複雜的材料。
19 世紀化學家最偉大的成就之一，就是明確區分了化學元素（化學反應的基本建構單元）與無數的材料（它們通過把這些構件結合成不同化合物而形成）。關於化學元素及其屬性的現代表格，建立在俄國化學家德米特裡·門捷列夫（Dmitrii Mendeleev，1834－1907）的開拓性工作之上。1869 年，門捷列夫率先編製了一張不完全的化學元素表。現在，化學元素的這種表格被稱為元素週期表，因為（正如門捷列夫所發現的）相似的化學屬性似乎隨著質子數增加而有規律地重複出現（參見圖 1.10）。比如，一些極端惰性的氣體——氦、氖、氬、氪、氙以及氡——都被排列在元素週期表最右側。它們就是稀有氣體。它們之所以被排為一組，部分因為它們具有相似的化學屬性，部分因為它們包含的質子數在規則地增加（氦有 2 個質子、氖有 10 個、氬有 18 個、氪有 36 個、氙有 54 個，氡有 86 個）。
圖 1.9 太陽的結構。
太陽結構簡單，聚變發生在內核，氫元素儲存在外層。不過，它比此前存在的任何事物都要更複雜，恆星產生的能量會創造新的、局部的能量流，這種能量流有助於創造更複雜的實體，如行星乃至生命有機體
圖 1.10 元素週期表。
現有元素週期表中的元素，是經由三個階段被創造出來的。氫和氦在大爆炸之後不久就出現了。其後直到鐵元素，乃是在巨大的垂死的恆星內部通過核聚變形成，其他直到鉛的元素是在垂死的恆星內部通過中子捕獲而生成。最後，所有其他元素都是在超新星中形成的
為了解釋新化學元素的鍛造，我們就得回到氫原子（宇宙中大多數原子依舊是氫原子）上去，同時，我們需要考察某種非常基礎的化學。因為氫原子核中只有一個質子，氫原子的原子數也是 1，它是元素週期表中第一個元素。極小一部分氫原子（大約占 0.02%）的原子核有一個中子。我們將這種形式的氫稱為氘。它的重量是普通氫原子的兩倍，因為中子質量與質子質量相當。化學家將原子的這種異常形式稱為同位素。我們後面會瞭解到，大多數元素呈現出標準形態，但是也可能作為同位素——中子數多於或少於標準形態的元素——而存在。（我們在導論中得知，碳-14 是碳的同位素，有 6 個質子和 8 個中子；碳-12 是最常見的形式，質子和中子數都是 6 個。）
氦是元素週期表中第二個元素，有 2 個質子和 2 個電子。它在地球上很少見，直到 19 世紀中期才被發現，當時天文學家使用光譜儀發現它大量存在於太陽上。氦最常見的形態包含 2 個中子和 2 個電子，不過，也存在只有 1 個中子的同位素，當然，同位素的重量大約是普通氦原子的 3/4。
因此，每一種元素的明確特徵，取決於其核內的質子數，這決定了元素的原子序數。不過，每一種元素或許也會以稍微不同的形態或同位素形式存在，這取決於核內的中子數，因此，同一種元素的不同同位素的原子重量可能有細微差異。其他重要的元素有碳（原子序數 6）、氧（8）、鐵（26）以及鈾（92），鈾是所有穩定元素當中最大的元素。所有比鋰（原子序數 3）重的元素都產生於垂死恆星的內部。
恆星的生命與消亡
我們已經知道，早期宇宙中的原子物質幾乎完全由氫和氦組成。為了創造新元素，就必須將質子聚在一起猛烈搗碎，以便它們聚合形成具有更多原子數的較大原子核。那麼，宇宙中哪些地方的溫度高得足以做到這一點呢？答案是正在消亡的恆星。因此，為了理解化學元素如何在這種恆星中被創造出來，我們就需要瞭解恆星的生命週期。
即使壽命最短的恆星，也會持續燃燒幾百萬年。因此，我們從地球上永遠也無法觀察到一顆恆星的生命週期，即它的誕生、成熟和消亡。事實上，天文學家已經研究了幾百萬顆恆星，每一顆都處於生命週期的不同階段。他們利用 19 世紀以來積累起來的龐大數據庫，緩慢而又辛苦地建構了恆星生存和消亡的集體肖像。
長期以來，研究恆星最重要的工具是分光鏡。我們前面瞭解到，來自恆星光光譜上的吸收線，可以告訴我們一顆恆星包含哪些元素，它們的強度使我們可以大致估算恆星包含的每一種元素的多少。（一個特定元素吸收特定頻率的光越多，吸收線就越暗。）
恆星的表面溫度可以根據它的顏色估算出來。通常而言，紅色恆星的表面溫度低於藍色恆星的。一顆恆星的真實（或固有）亮度或其發射出的總能量，取決於它包含的物質總量。因為質量更重的恆星，其內核也更密集和更熾熱，它們也就能夠產生更多能量。我們將看到，大型恆星一般具有更高的表面溫度和更大的質量，不過，也存在一些例外，這些例外情況最終被證明是非常有意思的。
通過使用分光鏡和強大的望遠鏡，天文學家就可以告訴我們大量關於恆星質量、溫度和化學成分的信息。通過使用這些信息，他們建構了關於恆星生命和死亡的普遍性敘述。
科學領域的一種常見現象是，當某個人找到一種簡單方法來瞭解複雜信息時，理解就出現了。牛頓利用當時關於恆星運動的龐大數據資料所做的，正是這種事情。他從信息中提煉出了幾條與引力活動相關的簡單法則。門捷列夫在編製第一張化學元素週期表的時候，也在做相似事情。1910 年，丹麥天文學家埃納爾·赫茨普龍（Ejnar Hertzsprung）與美國天文學家亨利·拉塞爾（Henry Russell）發現了一種方法可以精簡迅速增長的關於恆星的知識，這種方法逐漸對恆星的生命週期做出大量解釋（參見圖 1.11）。他們將關於許多不同恆星的知識彙集在一張簡單圖表上，在一條軸線上標出每一顆恆星的真實亮度（我們已經知道，亮度能夠說明恆星的質量，或者它所包含的物質總量）；在另一條軸線上，他們標出了恆星的表面溫度。他們繪製的這幅圖表就是著名的赫羅圖（Hertzspung-Russell Diagram）。
圖 1.11 簡化版赫羅圖。
赫羅圖依照恆星的基本屬性——比如表面溫度和絕對亮度——繪製它們的位置。通過繪製許多恆星的位置，天文學家逐漸建構了不同大小恆星的生命週期圖景。從右下到左上的主序所顯示的，是大多數恆星的位置，它們正處於把氫轉化為氦的階段，更巨大和更明亮的恆星位於左邊。太陽大致位於主序的中間位置。紅巨星位於右上角，白矮星位於左下角
在赫羅圖中，需要指出來的第一件事情就是，大多數恆星出現在一條從右下延伸到左上的帶子上。右下角是紅色恆星，這意味著它們表面溫度較低，釋放的能量較少，也比較小。左上角是藍色恆星，意味著它們表面溫度很高，釋放的總能量更多，也擁有巨大的質量。參宿七位於獵戶座的一個角上，它就是藍超巨星。這條恆星帶從左上角延伸到右下角，呈對角線型，這就是天文學家所說的主序（the main sequence）。主序上所有恆星都處於成熟期，它們所做的，是大多數恆星在絕大部分時間做的事情：在核心將質子聚變成氦原子核。它們在主序的位置取決於一件事情：它們包含質量的大小，因為更大的質量意味著內核更高的密度和溫度。因此，順著主序向左上觀察，你就會發現更龐大、更熾熱和更亮的恆星。這些表面溫度很高的恆星看起來是熾熱的，那是因為它們本身就是熾熱的，之所以如此，原因在於它們質量很大，可以在內核中創造大量壓力。在主序中，表面溫度與真實亮度聯繫在一起，因為它們都由恆星的質量決定。太陽大致處於主序的中間；它是中等規模的恆星，可能只是稍微大於平均大小。
不過，並非所有恆星都出現在主序上。右上角有一些發射出巨大能量的恆星，這表明它們非常大。然而，它們的表面溫度相對有點低，因此，它們看起來是紅色恆星。這些就是紅巨星。一個著名的例子是參宿四，它是位於獵戶座一個角上的龐大紅色恆星。在晴朗的夜晚，我們很容易用肉眼看到它。在赫羅圖左下方，是一些表面溫度很高的恆星，儘管它們似乎非常小。這些就是白矮星。天狼星的伴星天狼星 B 就是一顆白矮星，也是夜空中最亮的恆星。紅巨星和白矮星的活動都有點異常，因為它們處於生命的末期。它們開始耗盡氫原子核，即質子，恆星在絕大部分生命當中，都是由質子維持著它們的存在。
垂死的恆星的內部
當一顆恆星把如此多的氫轉化為氦，從而開始耗盡原料時，會發生什麼呢？剝奪一個人的食物，他就會死亡。剝奪一顆恆星的燃料，結果可能更為壯觀。
我們前面瞭解到，由於引力的作用，巨大的原子星雲向內部塌縮，恆星得以形成。不過，一旦恆星的內核發生聚變，中心的熱量就會阻止塌縮。引力（傾向於促使恆星向內塌縮）與中心的熱量（它會阻止塌縮）之間取得了平衡。那時，恆星就開始在主序上居留漫長時間，通常持續幾十億年之久。如果中心的溫度稍微下降，恆星可能會略微收縮；如果溫度升高，它可能略加擴張。這就解釋了造父變星之類的恆星在亮度和大小上的微小變化。
當一顆恆星燃燒時，它會逐漸用完氫原子核存貨，在內核創造出越來越多的氦。最終，恆星的內核會堆滿氦，它也會耗盡氫元素，聚變戛然而止，因此，內核也會塌縮。如果這顆恆星很小，它就會將外層投入到附近太空，它的核會持續收縮，可能直到它的大小不超過地球時才停止，同時，它中心的溫度會升高。這時，它就成了白矮星，比最初那顆恆星小很多，不過非常亮，因為它的內核含有大量熱量。它已經離開了赫羅圖的主序，移動到圖表較低位置。現在，它的熱量來自當它還是一顆真正的恆星時所創造的能量。不過，這種熱量會逐漸消散，它也會冷卻，最終變成一顆恆星冰冷的、惰性的灰燼。天文學家將這種燃盡的恆星稱為黑矮星。它就停留在那裡，毫不起眼，在幾十億年時間裡什麼都不做，同時，有越來越多其他的死亡恆星加入進來，這座巨大而不斷增長的恆星公墓會持續擴大，直到時間的盡頭。
然而，如果這顆恆星非常大，那麼，它垂死的掙扎就會更複雜，耗時更長，對我們來說，也會更有趣。當一顆巨大恆星由於不再有足夠多的氫元素燃燒而塌縮時，它的外層溫度可能會上升到非常高的程度，以便氫聚變能夠繼續下去。最終，這顆恆星會擴張，轉變成紅巨星。同時，它內核的收縮會提升中心的溫度。如果這顆恆星足夠大，那麼，內核的溫度會高到足以讓氦原子發生聚變。這些過程促使恆星離開主序，不過運動方向與白矮星相反。當它擴張時，表面溫度會降低，不過，隨著內核溫度的升高，它發射出的光的總量會增多。在 40 億或 50 億年之後，我們的太陽會變成一顆紅巨星。當這種情況發生時，它會擴張，最終會包容（以及消除！）水星、金星和地球等內部行星。
在非常巨大的恆星內部，中心塌縮產生的溫度如此之高，以至於氦開始聚變形成碳。碳是宇宙中大量存在的元素之一，也是生命進化的重要元素。氦在更高的溫度燃燒，燃燒速度也快於氫的燃燒，因此，這顆恆星也就會更快地耗完氦元素（與氫的消耗相比）。當這種情況發生時，恆星的內核會再次塌縮。
接下來會發生什麼呢？當我們的太陽到達這一時刻時，會拋出它的外層，將碳散佈到周圍空間。然後，它就會塌縮，變成一顆白矮星。它會從赫羅圖主序中間位置（右上）移到其他白矮星所在的左下位置。與許多白矮星一樣，它最終會冷卻下來，變成一顆黑矮星，此後，它就什麼也不幹了。
不過，比我們太陽大的恆星，擁有更多技巧來利用外殼。當耗完氦元素時，它們的內核就會塌縮，不過，它們還有足夠多的質量，因此，塌縮會讓溫度升得很高，足以讓碳發生聚變，在極端的燃燒中創造出氧和硅之類元素。這種模式會一再重複。當每一種新的燃料被用完時，內核再次塌縮，溫度變得更高，垂死的恆星開始燃燒新的原料。這種過程變得越來越暴烈，恆星的不同層使用不同的燃料。最終，當它們的內核達到約 40 億攝氏度時，恆星開始創造出大量鐵元素（原子序數 26）。切薩雷·埃米利亞尼（Cesare Emiliani）對一顆巨大恆星極端的最後歲月做出了描述：「一顆質量為太陽 25 倍的恆星，會在幾百萬年內耗盡其中心的氫元素，在 50 萬年內燃盡其氦元素，並且——當它的內核不斷收縮、溫度不斷上升時——在 600 年之內燃完碳元素，6 個月用完氧元素，1 天耗盡硅元素。」２ （參見圖 1.12）
圖 1.12 正在消亡的大型恆星內部新元素的形成。
龐大的恆星在其生命最後階段，開始燃燒氦和其他元素。它們逐漸發展出層級結構，最終會在內核創造鐵元素。此後，它們要麼塌縮，要麼（如果足夠大的話）在超新星中爆炸
這種通過聚變創造新元素的過程結束於鐵的創造。不過，另一個被稱為中子捕獲的過程，能夠在垂死的龐大恆星內部形成大量更重的元素。在這個過程中，原子核捕獲離散的中子，中子衰變形成質子。更多的質子會提升原子核的「原子序數」，將它變成一種更重的元素。這種過程最終會形成像鉍（原子序數 83）那樣的重元素。
一旦一顆龐大的恆星的中心充滿了鐵元素，聚變就會停止，這顆恆星也會在被稱為超新星（supernova）的一次巨大爆炸中發生最後一次塌縮。這顆恆星的亮度一度相當於整個星系的亮度，它的大部分質量會被拋向太空，同時，它的中心會塌縮成為密度非常高的物質，從而形成一顆中子星甚至黑洞。中子星是物質的一種形式，它的密度與原子的原子核相當；由於密度如此之高，一顆小山大小的中子星的重量，可能與地球重量差不多，中子星每秒鐘旋轉幾次，從而形成天文學家所說的脈衝星（pulsar），即一種週期性發出電波的天體。如果最初的恆星足夠大，它就會塌縮形成黑洞，黑洞密度極高，沒有什麼東西可以逃開它的引力，即便光也不可能。黑洞是非常奇怪的天體，我們會在本書結尾處再次提到它。
在超新星爆炸中，另一件事情發生了。僅僅在幾秒鐘之內，元素週期表中從鐵（原子序數 26）到鈾（原子序數 92）的所有其他元素，通過中子捕獲被創造出來，然後被投入太空。（排在鈾之後的一些元素也被創造出來，只是它們很不穩定，在不到一秒鐘時間內就會分解。）我們可以從一顆超新星爆炸的殘留物即巨蟹星雲中看到這種爆炸的結果，中國天文學家於 1054 年觀測到了這次爆炸（參見圖 1.13）。
圖 1.13 巨蟹星雲殘留物。
巨蟹星雲由一顆超新星爆炸的殘留物構成，中國天文學家在 1054 年觀測到這個爆炸
因此，元素週期表中的化學元素，也就是物質的基本成分（我們由它們組成），乃是在三個主要階段被製造出來的。大部分宇宙空間是由氫（大約占 75%）和氦（大約占 23%）組成，而它們是在大爆炸中創造出來的。這是第一階段。第二階段發生在恆星內部。在那裡，大量的氫通過聚變形成氦，在更大的恆星中，部分氦轉變成碳、氧、硅以及直到鐵（原子序數 26）的其他一些元素。在紅巨星中，中子捕獲能夠創造直到鉍的重元素。當這些恆星死亡時，它們創造的新元素被拋入周圍太空。第三個階段發生於超新星，即超大恆星生命最後幾秒鐘的巨大爆炸之中。超新星的極端高溫創造出大量中子，元素週期表中其他所有元素在短短幾秒鐘之內經由中子捕獲被創造出來，這些新元素隨後被散播到太空。
今天，氫和氦差不多仍然占所有原子的 98%。在剩下的 2% 中，最常見的，就是在垂死恆星中通過聚變創造出來的元素。它們包括氧、碳、氮、鐵和硅等，在地球以及地球生命的化學反應中，扮演著至關重要的角色。其餘的元素通過中子捕獲的方式在垂死恆星或超新星中被創造出來；不過，它們存在的數量少得多。
化學的重要性
最初的大型恆星可能是在大爆炸 2 億年到 3 億年之後作為超新星而死亡或爆炸的。此後，星際間星雲中漂浮的新元素逐漸增多。一開始，並不存在較高級元素（higher elements），不過，我們已經知道，它們現在可能佔宇宙中原子物質的 2%。它們的存在增加了宇宙的多樣性，因為每一種元素的質子和電子數不一樣，因此，它們的活動彼此稍有不同。
在大部分宇宙空間，這些新元素沒什麼不同，不過在某些區域，高級元素的數量更多，它們扮演了更重要的角色。青年期的太陽從早期地球軌道上帶走了絕大部分氫和氦，以至於地球外殼現在主要由氧和硅之類重元素主導，其他許多元素，包括鐵、碳、鋁和硅，也比較常見。這也解釋了地球的化學成分為何完全不同於宇宙的一般構成。
原子能夠以許多不同方式結合，從而形成具有全新的突現屬性的新物質。如果你將兩個氫原子與一個氧原子結合，就會得到與這兩種無色無味的氣體完全不同的事物：水（參見圖 1.14）！我們後面會瞭解到，水對於生命極為重要。
圖 1.14 共價鍵與水分子圖。
（a）一個共價鍵，在共價鍵中，電子共享；（b）一個水分子，兩個氫原子與一個氧原子通過共價鍵結合在一起
原子以不同方式結合形成分子，一些分子只包含少數原子，而另一些含有幾百萬甚至幾十億個原子。原子之間的所有化學鍵，都取決於繞原子核旋轉的最外層電子的活動。在共價鍵（比如形成水分子的共價鍵）中，兩個或多個原子可以在它們的外層共享電子。電子被幾個原子核的正電荷吸引，這種電磁鍵（eletromagnetic bond）將原子緊緊聚合在一起。在離子鍵中，比如形成鹽（氯化鈉）的鍵，電子會從一個原子轉移到另一個原子。這就使得一個原子帶負電荷，另一個帶正電荷，這些電荷將原子緊緊結合起來。在金屬鍵（將大多數金屬元素緊密結合在一起的鍵）中，幾乎所有原子都會失去它們的外層電子，大量游離的電子會流經單個原子和原子之間。由於每個原子都失去一個電子，因此，它就有一個微小的正電荷，從而對它周圍游動的大量電子產生吸引。
化學就是研究原子如何形成新物質：從岩石到鑽石再到 DNA，當然也包括人類在內。這也解釋了我們為何將恆星內部新化學元素的形成作為本課程的一道基本門檻，它使得具有全新屬性的大量新物質的出現成為可能。今天，我們可以研究遙遠恆星周圍的物質星雲，識別許多不同的分子，既包括簡單物質（比如水），也包括生命的一些基本成分。不過，太空是一個更嚴酷的環境；那裡非常寒冷，能量有限，因此，我們發現，在太空中，分子包含的原子數很少會多於 100 個。
地球表面是一個更有利於發生有趣化學反應的場所，這裡有許多元素，它們能夠以不同方式結合，從而創造出全新的物質。它是發生化學反應的金鳳花環境。在本書每一次做出的門檻概述中，金鳳花要素所指的，乃是那些允許門檻出現或被跨越的因素。在下一章，我們討論地球的形成以及最終讓生命的出現成為可能的金鳳花環境。