爱读书 探索 揭开为什么我们确实都是由星尘组成的奇特原因

揭开为什么我们确实都是由星尘组成的奇特原因

著名的天体物理学家卡尔·萨根,一位NASA美国国家航空航天局的重要人物,科普界的先驱主力,在二十世纪80年代说过,我们所有人都是由星尘组成。从那以后,萨根的话被广泛流传,任何对物理有一丝兴趣的人都把他那难以置信的断言成为了一个关键事实。尽管如此,更令人印象深刻的是,它实际上完全是正确的。

但是它究竟意味着什么呢?今天我们会揭开为什么我们确实都是由星尘组成的奇特原因。你热衷于事情的真相么?你经常好奇么?

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我们知道在宇宙中有确定数量的化成元素,这些元素组成了每一个存在的物质,它们都由一个过程称为“核合成”制造的,它的字面意思上是说制造原子核、原子。最初的元素是在大爆炸时形成的氢和氦,那时宇宙更热更紧密。据猜想这个状态仅持续20分钟,但是在这20分钟的破晓时刻,宇宙从无到充满了氢——实际上是75%的氢,25%的氦和1%的其他物质——主要是锂。

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这是三种最轻的元素。第一批星体由此形成,在这些星体中“恒星核合成”的进程开始,产生了更重的元素。今天,在周期表的大部分元素可以并且已经由星体内部产生。宇宙的这种能力——随着时间的流逝产生越来越重的元素,被称作“银河系化学演化”。重元素,例如铁,需要在星体的内部由更轻更充足的元素如氢和氦去融合。如果我们追溯的足够远,我们可以看到存在的一切宇宙链的发展。第一批星体产生了第一批重元素,然后下一代的星体用这些元素制造更多的变化,如此往复。这个过程实际上会无限的持续,直到宇宙的尽头,意味着随着时间的流逝,更新的、更重的元素会在其他新的星体中产生。

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而且,这也不是说它好像完全超出了我们的控制。在地球上,人们可以通过核聚变来复制这种恒星内部的环境,来为我们自己创造新的元素。新加入元素周期表(2016年正式颁布)的四个元素就是用这种方式制造出来的——鉨,镆,和。然而,令人难以置信的是,在几十亿年之后,生命所必需的物质可能与现在的完全不同。生命体在遥远的未来很有可能就会基于当前新的、合成的化学元素,类似于刚才提到的那些,或完全别的什么东西——一些我们现今没有希望能在地球上合成的。

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一些科学家使得这个想法更进一步,甚至认为(除了地球围绕太阳的“宜居带”之外),我们现在也居住在一个“暂时性的”宜居带,因为这要归功于现在的化学、元素物质环境,我们(以我们现在的状态)现在才能生活在宇宙中。在这个确切的时间点上,我们拥有我们生长所需要的一切物质,并且生活富足,这是因为银河系的化学演变正处于正确阶段。

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但是,尽管它本身非常难以置信,这些由恒星创造的元素最初是如何进入我们体内的?这根本上要归功于超新星。超新星——ae.超新星——通常被视为垂死恒星的巨大爆炸——明亮且壮观,但是它们并不是很常见。事实上,它们是恒星死亡最罕见的方式之一,因为只有最大质量的恒星才能够以这样爆炸的方式死亡。甚至少数大质量的恒星会坍塌成黑洞(它们把物质拉进去而不是炸出来),但尽管如此,超新星也是一个至关重要的因素,关于现实——包括我们自身的存在——为什么以这样存在。

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一颗超新星将它特定恒星核中所融合的所有稀有元素炸到太空中……将其所有的物理特性分散得很广。并且,最终,重力将它们捕获,以便这些物质可以被制造成新的东西:新的恒星,但也有新的行星、小行星,甚至是有机体。也正因如此,你体内的一些元素——也是所有人类都有的元素——从技术上来讲可以追溯到138亿年前的大爆炸时刻。

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在人类死亡、太阳膨胀、地球摧毁灭以后,这些相同的元素将回到其他恒星和行星之中,或许准备再一次创造循环。如我们所知,大部分存在的化学元素并不是生命所必需的,若我们考虑到这一点,那么这种“重生”的情形更加是有可能的。事实上,地球上的生命组成只有六种基本元素:碳、氢、氮、氧、磷和硫。虽然我们也会使用其他元素来进行一些不太重要的过程(比如建筑和科技),但这些我们生活必需的基本元素,构成了地球上所有其他形式的生命——植物、动物、微生物等等。最令人兴奋的是,这些元素都不仅仅是我们的世界所独有的;它们无处不在,这意味着,从理论上讲,其他行星上真的可能存在生命,它们的运行方式与我们基本相同。

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或许,至少,终有一天在其他行星上会出现与我们类似的生命。所有行星都可以使用相同的基础元素,决定它们是否可用的是时间和地点。我们知道,仅在我们自己的星系中就有数十亿颗潜在的宜居行星(至少在空间上是宜居的)。但是,像地球一样,它们也存在于(或靠近)一个暂时的宜居带。生命的诞生仍然是所有必需元素不可思议地结合在一起(加上百亿年的进化),但如果它曾经发生过……难道不会再次发生吗?对一些科学家来说,当宇宙中广泛分布着形成一个世界所需的一切原料时,认为生命不会在其他地方诞生是更加疯狂的。

尽管我们还不曾到任何其他恒星近距离观测和记录它们的构成,但是一个实验可以帮助我们了解它们的元素组成(以及它们对我们人类自身创生的意义),那就是由斯隆数字天空测量公司在2010年代进行的阿帕奇点天文台的银河演化实验。它使用光谱仪来进行远程观测,通过转换发光波长来计算和量化任何存在的给定恒星的元素组成。诚然,恒星内部元素的数量和比例与人类相比是不同的,但人类的痕迹以及地球上生命的基石也的的确确可以在整个宇宙中找到。

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所有创造人类的元素最初都是在遥远的恒星中心形成的,可能有数百万光年之远,有些甚至来自大爆炸本身。这就是为什么我们都是由恒星物质所组成的。

相关知识

大爆炸理论是目前流行的宇宙学模型,它解释了从最早已知时期到随后的大规模演化过程中可观测的宇宙的存在。该模型描述了宇宙是如何从一个高密度和高温度的初始状态开始膨胀的,并为观测到的一系列现象提供了全面的解释,这其中包括丰富的轻元素、宇宙微波背景辐射(CMB)和大型结构。

至关重要的是,该理论与哈勃-勒梅特定律是一致的,即星系离地球越远,它远离地球的速度就越快。该理论利用已知的物理定律,将宇宙膨胀的时间向后推,它描述了一个在宇宙中不断聚集的,在空间和时间上失去意义的奇点 (通常被称为“大爆炸奇点”) 。宇宙膨胀速率的详细测量表明,大爆炸奇异点大约出现在138亿年前,因此这被认为是宇宙的年龄。

在它最初的膨胀之后,也就是这个事件本身通常被称为“宇宙大爆炸”,宇宙冷却到足以形成亚原子粒子和后来的原子。这些原始元素组成的巨大云团——主要是氢,还有一些氦和锂——后来在引力作用下结合在一起,形成了早期的恒星和星系,它们的衍生物如今依旧可见。除了这些原始的构建原料,天文学家还观察到星系周围未知暗物质的引力效应。宇宙中的大多数引力势似乎都是以这种形式存在的,大爆炸理论和各种观测表明,这种过剩的引力势不是由重子物质(如普通原子)产生的。对超新星红移的测量表明,宇宙的膨胀正在加速,这一观测归因于暗能量的存在。

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乔治勒梅特在1927年首次指出,膨胀的宇宙可以追溯到一个单一的起源点,他称之为“原始原子”。埃德温·哈勃在1929年通过对星系红移的分析证实了星系确实在漂移;这是宇宙膨胀的重要观测证据。几十年来,科学界分成了两派,一派是大爆炸理论的支持者,另一派是稳态模型的反对者。两者都为观测到的膨胀宇宙提供了解释,但…

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