第11章　由古老的星光构成

第124夜：圆圆的蓝色火焰

在任务第124天，努尔的主要任务是一项关于火的实验。在空间站上，火是人们最害怕的东西之一，所以这项实验是在一个坚固的密封箱里进行的，箱子带着厚厚的观察窗、专门的风扇和层层安全措施。努尔上午的第一个小时都花在了一份检查清单上。她检查了密封件、摄像机、气体供应，以及将要控制一切的计算机。阿德飘在她旁边，大声念出每一行。努尔对每一行都用一个词来回答：“已检查”，就像飞行员起飞前那样。

终于，计算机把一小滴燃料放到箱子中央，并点燃了它。在地球上，火焰是泪滴的形状。热空气比冷空气轻，所以它会上升，把火焰向上拉成一个尖。在失重中，热空气不会上升，因为没有一个“上”可以让它升过去。所以努尔屏幕上的火焰是一个小小的、几乎完美的球。它柔和而湛蓝，在黑暗的箱子里静静地发着光，像一颗由光组成的小行星。

这个火球只持续了几秒钟。然后燃料用完了，蓝色的光渐渐消失。摄像机记录下了一切，地面上的科学家们将研究这些画面好几个月。他们想弄清楚在没有上升空气的情况下火焰是怎样表现的，因为这也有助于他们理解地球上的燃烧，比如在发动机里、在熔炉里。努尔和阿德把这项测试重复了六次，每次都做一些小的调整，到了下午，她的眼睛因为一直盯着屏幕而疲劳了。

那天晚上，工作完成后，努尔读了萨米的一条消息。他看到了乘组与学校分享的一段关于圆形火焰的短片。“真美，”他写道，“那么太阳就只是一团像这样的巨大的火吗？它在上面燃烧吗？”努尔笑了。这是一个非常好的问题，许多人都相信答案是肯定的。真正的答案更奇特，也更美妙。它还引出了整个科学中最令人惊讶的事实之一：努尔身体里、萨米身体里以及你身体里的大部分物质，都是在恒星内部造出来的。

所以，今晚的故事讲的是恒星是怎样工作的，以及它们造出了什么。它接着这本书的前一个夜晚，那时早期宇宙的涟漪在普通物质和神秘的暗物质的牵引下，成长为星系。今晚，我们要看看这些星系的内部，看看恒星本身，我们会发现，它们不仅仅是灯。它们是工坊。

恒星不是火

一团火，就像努尔箱子里的那个蓝色火球，是一种化学反应。燃料与空气中的氧结合，原子重新排列成新的分子。这个过程放出热和光。但在火中，原子本身并不会改变。燃料里的一个碳原子，在烟里仍然是一个碳原子。改变的只是原子之间手拉手的方式。

如果太阳是一团这样的巨大的火，它早就燃尽了。它只能维持几千年，而不是几十亿年。还有另一个问题：火需要周围空气中的氧，而太空中没有空气。所以太阳一定是以另一种方式发光的。那种方式叫作核聚变。

核聚变发生在太阳的中心，在叫作核心的那一部分。在那里，整个太阳的重量都压下来，温度大约是1500万摄氏度。在这样的高温和压力下，氢原子的中心，也就是它们的原子核，运动得非常快，以至于它们彼此相撞并粘在一起。一步一步地，四个氢原子核变成一个氦原子核。新的氦比造出它的四个氢原子核要轻那么一点点。那一点点缺失的物质变成了能量，而正是这些能量让太阳发光。

为什么这需要如此巨大的高温呢？氢原子的原子核都带着同一种电荷，而带同种电荷的东西会互相排斥，就像两块方向摆反了的磁铁。在我们周围凉爽的世界里，氢原子核永远不会靠得足够近而结合。只有当它们在极端高温下、在整颗恒星的重压之下以极快的速度运动时，其中一些才会靠得足够近而粘在一起。即使在太阳的核心，任何一个氢原子核通常也要等待很长很长的时间，才能与另一个结合。太阳之所以能稳定地发光，是因为它包含的原子核实在太多了，每一秒钟都有数量巨大的原子核结合成功。

用一句话来说出其中的区别：在火中，原子交换伙伴；在核聚变中，原子的中心结合起来，变成另一种元素。核聚变把氢变成氦。它不只是重新排列，而是造出了新的东西。这就是它如此强大的原因。每一秒钟，太阳都把大约四百万吨的物质变成能量，它这样做已经大约46亿年了。即便如此，它也只用掉了它的氢的一小部分，因为太阳实在太巨大了。

也许可以想一想一家通宵工作的面包房。在中央那座炽热的烤炉里，简单的面团变成了面包。在恒星的核心，最简单的元素氢，变成了下一种元素氦。从恒星中发出来的光，就像从面包房门口散发出来的温暖。我们感受到了温暖，但真正的工作发生在深深的内部，在我们看不见的地方。

发现恒星如何发光的人们

在很长一段时间里，太阳的能量一直是一个谜。19世纪，科学家们试图用燃烧来解释它，或者用太阳慢慢收缩、在收缩中变热来解释它。这些想法没有一个能让太阳拥有足够长的寿命。地球上的岩石和生物缓慢的演变，似乎需要的时间远远超过了太阳按照任何已知过程所能维持的时间。研究岩石的人和研究天空的人给出了不同的答案，谁也无法让它们一致起来。

答案来自一个研究原子核，也就是原子那微小中心的新的科学分支。在20世纪20年代和30年代，科学家们了解到，原子核可以结合并释放出能量。1939年，一位名叫汉斯·贝特的科学家一步一步地推算出了在像太阳这样的恒星的核心里可能发生哪些反应。他证明，氢聚变成氦可以让太阳持续发光几十亿年。这个古老的谜题，是靠在书桌前用纸和铅笔进行的仔细计算解开的。

请回想一下之前一个夜晚讲到的塞西莉亚·佩恩。1925年，她发现恒星主要是由氢和氦组成的。她的发现和贝特的计算，就像一只盘子的两半一样契合在一起。恒星主要由氢组成，而氢就是它们的燃料。其中的氦，一部分是在宇宙最初的几分钟里造出来的，一部分是恒星从那以后造出来的。

下一个问题甚至更大。如果恒星能造出氦，它们是不是也能造出其他元素？1957年，四位科学家，玛格丽特·伯比奇、杰弗里·伯比奇、威廉·福勒和弗雷德·霍伊尔，写了一篇很长的论文，描述了恒星怎样在它们生命的不同阶段，一种接一种地造出几乎所有的元素。弗雷德·霍伊尔，就是多年前在一个电台节目里给大爆炸起了名字的那个人，尽管他并不赞同那个想法。在这个问题上，他的工作帮助揭示了大多数元素是从哪里来的。与此同时，其他科学家也在沿着相似的思路工作，在随后的几十年里，许多观测都证实了这幅主要的图景。

想一想这些知识是怎样建立起来的。从来没有人去过一颗恒星的中心。一切都是从光中、从地球实验室里关于原子核的实验中、从计算中了解到的。就像这本书里的许许多多发现一样，它是人们在书桌前、在实验室里工作的成果，他们互相核对彼此的数字，有时一核对就是许多年。

一颗大恒星是怎样终结的

像太阳这样的恒星，一生中的大部分时间都在把氢变成氦。当核心里的氢快要用完时，恒星就会发生变化。它的外层膨胀起来，变成一颗巨大的、温度较低的、偏红色的恒星，叫作红巨星。在它的核心里，氦原子核这时开始结合，造出碳和氧。到了最后，像太阳这样的恒星会把它的外层轻轻地推向太空，形成一个发光的气体壳。留下来的是一个小小的、炽热的、非常致密的核心，叫作白矮星，它会在非常漫长的时间里慢慢冷却。

比太阳重得多的恒星活得更快，终结得也更富戏剧性。它们巨大的重量使它们的核心更热，所以它们能走得更远。在碳和氧之后，它们会造出氖、镁、硅，最后是铁。恒星变得一层一层的，有点像一颗洋葱，越重的元素越靠近中心。但铁是这条路的终点。让铁原子核结合并不会放出能量，反而会吸收能量。所以，当一颗大恒星的核心充满了铁时，它的烤炉就再也拿不出什么了。

一颗恒星生命的速度取决于它的重量。像太阳这样的恒星总寿命大约是100亿年，所以它现在大约正处在它工作生涯的中间。最重的恒星只用几百万年就耗尽了它们的燃料，对一颗恒星来说，这是非常短的时间。这有点像从事不同工作的两个人：一个人在漫长的整个职业生涯中以稳定的节奏工作，另一个人则以疯狂的速度工作，很早就结束了。两个人都会留下一些东西，但那个干得快的人留下的成果最惊人。

一旦失去了向外推的能量，核心就会在一瞬间被自身的重量压垮而坍缩。外层落下来，又反弹回去，在一场叫作超新星的巨大爆炸中被抛向太空。在几周的时间里，一颗超新星能像整个星系的恒星加在一起那样明亮。这场爆炸把这颗恒星在一生中造出的碳、氧、硅、铁和许多其他元素撒了出去。它还在爆炸本身那剧烈的高温中造出新的元素。留在中心的，可能是一颗中子星，一个密到一小勺就有一座山那么重的物质球，在最重的情况下，则可能是一个黑洞。

有些最重的元素，比如金，需要非常特殊的条件。许多年来，科学家们一直认为，一个可能的地方是两颗中子星的碰撞。2017年，天文学家观测到了恰恰就是这样的一次碰撞。能够感知空间本身微小涟漪的仪器，捕捉到了两颗中子星螺旋靠近、合到一起的信号，然后各地的望远镜看到了这一事件发出的光。在那些光中，他们发现了新造出的重元素的迹象，其中包括像金这样的元素。今天，科学家们认为重元素来自好几种事件，他们仍在研究每一种事件各贡献了多少。

被撒出去的元素并不会一直迷失下去。它们混入恒星之间的气体和尘埃云中。后来，这些云坍缩成新的恒星和新的行星。每一代新的恒星诞生时，所含的较重元素都比上一代多一点。一个星系就像一间巨大而缓慢的厨房，同样的锅被一次又一次地使用，每一顿饭都会给下一顿留下多一点的滋味。

你身体里的原子

现在让我们回到我们自己身上。你的身体是由许多种元素组成的。按重量计算，最大的部分是氧，其中大部分存在于你体内的水中。每一个活细胞里都有碳。你肌肉的蛋白质里有氮。你的骨骼和牙齿里有钙。你的血液里有铁，它把氧从你的肺运送到你身体的每一个部分。

在宇宙最初的几分钟里，这些元素几乎都还不存在。正如我们在之前一个夜晚所看到的，那几分钟主要造出了氢和氦，还有极少量的锂。你身体里的碳、氮和氧是后来在恒星内部造出来的。钙和铁也来自恒星，其中很多来自在太阳诞生之前很久就爆炸了的恒星。从一种非常真实的意义上说，你是由那些在我们的太阳系存在之前就已经生生死死的恒星的遗留物构成的。

有一个重要的例外。你身体里的氢，你喝的水里的氢，你吃的食物里的氢，都不是在恒星里造出来的。氢是最简单的元素，它几乎全部来自宇宙最初的几分钟。按原子的数目计算，氢是你身体里最常见的元素。所以，你体内带着两种历史：在你的氢里，是极早期的宇宙；在几乎所有其他东西里，是许多恒星漫长的工作。

对空间站上努尔周围的一切来说，这也是真的。舱壁里的铝，储气罐里的氧，计算机芯片里的硅，她食物里的碳，全都来自恒星。装着那团蓝色火焰的箱子的金属，是几十亿年前在恒星的工坊里一个原子一个原子地造出来的。就连那团蓝色火焰的光，也来自曾经在一颗恒星内部的原子。

要全心全意地感受到这一点并不容易。一杯茶看起来不像古老恒星的遗骸。但下次你拿起一件沉甸甸的东西，工作中的一件工具，厨房里的一口锅，小路上的一块石头时，也许会想起，它的原子比地球还要古老。它们曾经穿越太空，穿过云层，穿过新的恒星，最后才停在你的手中。

给萨米的消息

一天结束时，努尔飘进自己的睡眠舱，把睡袋拉链拉到胸口。她想着那团圆圆的蓝色火焰，想着太阳，那天它为空间站升起又落下了十六次。她打开小平板电脑，给萨米写消息。

“不，太阳不是火，”她写道，“它是一种烤炉，在那里氢变成氦。大恒星还会造出别的东西：碳、氧、铁。它们死去的时候，会把这一切都抛进太空，新的恒星和行星就由这些东西造出来。你血液里的铁是在一颗恒星里造出来的。所以今晚你累的时候，记住你是由非常古老、非常结实的材料做成的。”

大约凌晨三点，在下方远处一条安静的路上，萨米停车休息。他把消息读了两遍，吃了一个三明治，透过挡风玻璃抬头望着云层间的几颗亮星。他回复说：“非常结实的材料。等我搬最后几个箱子的时候，我会把这句话告诉我的腰。”

也许你也正在结束漫长的一天。你的双手也许累了，你的腰也许酸了，明天也许已经在等着你。但你身体的材料曾经穿过恒星的心脏。今晚，它只需要好好地休息一下。

常见的误解

许多人以为，他们身体里的每一个原子都是在恒星内部造出来的。这是一个美丽的想法，而且大体上是对的，但并不完全对。你身体里的大多数元素，比如碳、氧、钙和铁，确实是在恒星里造出来的。但氢是每一个水分子和你细胞里许多分子的组成部分，它是在宇宙最初的几分钟里造出来的。所以更准确的说法是，你是由来自宇宙开端的物质和来自恒星的物质共同构成的。

许多人还以为，太阳和恒星像火一样燃烧。这很自然，因为它们又热又亮，而且在日常用语中，人们也常常用“燃烧”这个词来形容它们。但火是一种需要氧、只改变原子结合方式的化学反应。太阳是靠核聚变发光的：氢原子的中心结合起来，变成氦，一点点物质变成大量的能量。这就是为什么太阳能发光几十亿年，也是为什么它不需要空气。

最后，有些人以为，金和其他重元素是在大爆炸中和其他一切一起造出来的。事实上，宇宙最初的几分钟只造出了最轻的元素：氢、氦和一点点锂。宇宙冷却得太快，来不及造出任何更重的东西。金和其他重元素是在很久以后，在像中子星碰撞这样的极端事件中，很可能还有在某些爆炸的恒星中造出来的。所以，一枚戒指里的金，要比一杯水里的氢年轻得多。在下一个夜晚，我们将跟随一些被撒出去的元素，看着它们聚集成一颗新的恒星和它的行星：太阳和地球。