宇宙的奇蹟：星星之死

布賴恩·考克斯教授歸來，借這本《宇宙的奇蹟》，他將帶領我們穿越時間與空間，開始一段充滿真知灼見而又令人興奮的旅程：你會見證那個137億年之久，930億光年之廣，1000億個星系星羅棋布，而每個星系又包含著千億、萬億顆恆星的無法想像的龐然大物。

考克斯教授一生致力於認識我們的宇宙。關於我們自己，關於我們所生活的世界，我們有許多深刻的問題需要回答。在這本書中，他決心用一種特殊而易於理解的方式為這些問題尋找答案。

本書由科學松鼠會的兩位成員李劍龍（Sheldon）和葉泉志（小龍哈勃）合作翻譯，以下內容選載自本書第二章。

製作電視紀錄片的時候，我們總是尋求各種視覺手段來呈現複雜的故事。拍攝《宇宙的奇蹟》時，我們滿世界地尋找可以用來打比方或作為影片背景的地方，但在我看來，最成功的場景莫過於巴西里約熱內盧中心區的一所廢棄監獄。

這個建築的外牆已經差不多毀壞了，只留下一副磚骨架；所有的窗戶，如果曾經有窗戶的話，也全部消失了。每一個牢房有20~30個混凝土澆築的雙層床，相互緊緊挨著；以及一個小小的浴室，幾塊破爛的布條仍然搭在浴室入口處，以作為遮擋之用。牢房的牆壁是某種色彩斑斕的奇怪拼圖，妖嬈的少女和古怪的足球隊海報夾雜其間。

這地方有兩個讓我覺得很不舒服的特點：首先，你很難不讓自己想像被關在這裡的感覺，因為對於一個像里約熱內盧這樣炎熱潮濕的城市，在一個鋼筋混凝土牢籠里被關個好幾年肯定不是一種享受。第二點則更直接，那就是這座監獄現在正填滿了爆炸物。從牢房裡往外看，明亮的外部世界發著強光，如恆星表面一樣壓迫著你，讓你幾乎很難同時看到黑暗的室內。但那些光並不照進來，它停留在外面的城市裡。當我小心翼翼地順著滿是坑洞的、看起來搖搖欲墜的樓梯往下走時，我覺得好像我正在下降到一顆垂死恆星的緻密內核上一般。生命所必需的元素，就在這暴烈可怕的、遠離光亮的地方合成。正是在這裡，恆星從物質消耗者變成了物質生產者。

恆星都活在某種讓人窒息的平衡中。它們的引力在努力壓縮各自的大小，於是它們的溫度升高，直至氫原子克服了彼此之間的電磁斥力，通過核聚變反應生成氦。這一過程釋放出能量，使恆星得以發光發熱，並因此抵消引力的作用。當氫被耗盡時，向外的光壓消失了，引力又佔了上風，恆星的結構被迫發生劇烈的變化。恆星迅速向內坍縮，留下了一層氫和氦組成的外殼。隨著恆星的坍縮，恆星內核的溫度迅速上升至1億攝氏度，並開啟了新的聚變反應。在如此高的溫度下，氦原子也克服了彼此之間的電磁力，開始結合為新的元素——這些恆星開始以氦為燃料了。這一從氫聚變到氦聚變的轉變有兩個重要的效果：首先，恆星釋放的能量足以抵消掉自身的坍縮，於是再度穩定下來並開始迅速膨脹。這是它的紅巨星階段的開始。其次，它開始合成對生命至關重要的元素。一開始，一對包含兩個質子和兩個中子的氦原子核，只能合成擁有4個質子和4個中子的同位素鈹-8。這個鈹的同位素並不穩定，會很快衰變。但垂死的恆星會產生極高的溫度，比如在其內核，溫度會超過1億攝氏度。這些原子核的存在時間已經足夠讓它與第3個氦原子結合成一種重要的元素——碳-12。這就是宇宙中所有碳元素的由來：地球上所有生命中的碳原子都來自於垂死恆星的心臟。

氦燃燒階段並不以合成碳為終結，因為在這一極其熾熱的階段，恆星內部的環境使得氦核可以和新生成的碳核結合，從而生成另一種生命不可或缺的元素——氧。氧在我們呼吸的空氣中佔21%。它也是水——生命之源——的必備成分，同時也是排在氫和氦之後的宇宙中最常見的元素。我們每個人每分鐘大概要吸入2.5克的氧，所以這裡或許應該著重提一下，這種生命不可或缺的氣體最初是在一個極其不適合生命生存的環境中被製造出來的。

恆星相比較於其漫長的壽命來說，能製造碳和氧的時間可謂是白駒過隙。在大約100萬年後，恆星的氦也消耗殆盡，對於許多恆星來說，發光的日子就到此為止了。對於一般尺寸的恆星，比如太陽，充滿活力的歲月至此一去不復返。當太陽在大概100億年後到達這一階段時，它的引力已經不足以進一步壓縮內核，以重啟聚變反應了。這時，它會變得越來越不穩定，內部產生許多強烈的壓力點，直到最終將整個恆星外殼炸開，將珍貴的氧、碳、氫以及許多別的元素釋放到深空之中。在這一短暫的、大概不到數萬年的時間內，垂死的恆星會繪製出宇宙中最美麗的畫面之一：行星狀星雲。

在宇宙之光的短暫演出結束後，這樣的恆星會收縮成一個比地球還小的小東西：白矮星。這就是數萬億顆此類恆星的最終命運。但對於像參宿四一樣的大質量恆星來說，故事遠未結束。質量是太陽1.5倍的恆星會繼續開動元素生產線。當氦聚變結束之時，引力會進一步壓縮恆星的內核。這時，內核的溫度再次上升，啟動了宇宙第三輪元素生產線。當內核溫度上升到幾億攝氏度時，碳和氦結合生成氖（譯註：不同資料的說法不一。有資料指出，恆星的質量為太陽質量的９～10倍時才能引發碳的核聚變反應），氖和氦結合生成鎂，兩個碳原子又結合生成鈉。越來越多的元素成為火爐里的原料，隨著溫度的升高，一個接一個地產生重元素。內核進一步收縮，溫度繼續升高，觸發了新一輪的聚變，將剛剛生成的元素組成的殼層留在外面。

合成了元素周期表上前25個元素之後，這個失控的生產線開始以硅為燃料，啟動一系列複雜的反應，以合成第26個元素——鐵。此時恆星的溫度已經高達25億攝氏度，但不會繼續升高了。這時，原子核的穩定性已經到達了巔峰，無論怎麼往鐵原子里塞質子或中子，它也不會再釋放能量了。恆星最後的能合成鐵的階段只有幾天。在使勁榨乾自己最後一點結合能來阻擋引力坍縮的過程中，恆星形成了一個幾乎完全由鐵構成的內核。聚合反應到此就停下來了。當恆星形成鐵核之後，留給它的時間短得只能以秒來計。引力獲得了完全的勝利，恆星在其自身重量下不可阻擋地坍縮，化作行星狀星雲。

當我在鏡頭中離開這棟監獄時，某處的電鈕被按下，整棟建築轟然坍塌，化為瓦礫。這毀滅只花了數秒的時間——和參宿四那樣的紅巨星轟然毀滅所需要的時間差不多。

【如同一顆正在死亡的恆星一樣，一棟建築的結構和它賴以屹立的基礎會隨著時間的推移而變得越來越不穩定。人們向這棟監獄施以援手，讓它快一些毀滅，但一顆恆星在生命終結之時也會自己炸開，形成壯觀的行星狀星雲。毀掉這棟監獄只需要短短几秒，這和紅巨星坍縮花去的時間差不多。】

以下圖片均為行星狀星雲。

【愛斯基摩星雲之所以叫這個名字，是因為它看起來像是個戴著皮毛兜帽的人臉。它是由威廉·赫歇爾在1787年發現的。】

【這一合成影像拍攝的是螺旋星雲。在地球上看來，這一行星狀星雲像是個油炸圈餅。但最新的研究表明，它實際上是由兩個氣體盤組成的。】

【IC 4406是垂死的恆星吹出的行星狀星雲。和其他許多行星狀星雲一樣，它看起來高度對稱。IC 4406又被稱為視網膜星雲，因為中央恆星拋射出的塵埃紋理，看起來很像視網膜。】

【葫蘆星雲距離地球大約5000光年或4700萬億千米。這張由哈勃太空望遠鏡拍攝到的影像呈現了恆星噴射物質時的景象。】

【MyCn18是一個年輕的行星狀星雲，早在20世紀初就為人所知。然而，這張由哈勃太空望遠鏡在1996年1月拍攝的影像才第一次揭示了這個星雲沙漏一樣的形狀以及錯綜複雜的紋理。】

【「貓眼星雲」這個名字或許對這個星雲恰如其分（其正式編號是NGC 6543），它是人類發現的第一批行星狀星雲之一，1786年由威廉·赫歇爾發現。它是我們在宇宙中已知的、結構最複雜的星雲之一。】

【這張拍攝於1997年7月20日的影像呈現的是Mz3星雲。Mz3一直被稱為「螞蟻星雲」，因為在地球上來看，它酷似一隻螞蟻的腦袋和軀幹。仔細觀察發現，螞蟻的軀幹似乎是由兩個熾熱的瓣組成的。】

【這一行星狀星雲被稱為科胡特克 4-55或K4-55，以它的發現者、捷克天文學家盧博斯·科胡特克之名命名。它的不尋常之處在於其多層氣殼結構。】

【位於加利福尼亞州的16-1金礦一度是美國淘金熱的中心，如今這裡是少數幾個仍在開採的金礦之一。在這裡和礦工們一塊淘金是個有意思的體驗。當我仔細觀察這些看起來稀鬆平常的石頭時，我可以隱約看到那熟悉的金黃色，顯示著這石頭裡實際上藏著一塊黃金。】

元素周期表上前26個元素在恆星的核心區合成，並隨著恆星們不可阻擋的死亡散布到宇宙各處。但另外72個元素——其中有一些生命不可或缺的、或者我們認為非常珍貴的元素——是從哪兒來的呢？如果它們不是在恆星中誕生的，又會來自哪裡呢？

在美國加利福尼亞州西北部的一處偏僻的森林裡，大山隱藏著一個秘密。這個秘密在僅僅一個世紀之前曾讓淘金者將這片安靜的松林作為最終目的地。儘管今天這裡已經頗為空曠，但在19世紀下半葉，這裡曾是加利福尼亞淘金熱的中心區域。成百上千的人來到這裡，有的帶著最簡單的鐵鏟，有的帶著最先進的掘礦技術，為了變得富有而在所不惜。淘出的黃金價值數億美元，這催生了世界大城市之一——舊金山。對黃金的瘋狂渴求如今已經消退，但隱藏在環繞著塔霍湖的森林中的16-1金礦仍然是加利福尼亞州內仍在開採的少數幾個金礦之一。

近100年來，礦工一直在16-1金礦中工作。它是世界上最多產的金礦之一，這得益於其獨特的地質結構。加利福尼亞的獨特之處之一在於，它正好位於北美板塊和環太平洋板塊的交界處。

整個區域位於一個巨大的斷裂帶上，而山脈中有數千個稍小的斷層。當你走入金礦時，實際上不過是在坡度平緩的隧道中沿著水平方向朝大山內部走去。這時你會看到到處都是斷層。它們看來就是岩石和石英之間的肉眼可見的界限——那就是許多迷你斷層組成的迷宮。在1.4億年前的侏羅紀，恐龍還在金礦上方漫步，熱水帶著寶藏從這裡湧出，併流過這些岩石。這些熱水將從地底深處的黃金帶上來，並卡在石英的縫 隙處。在過去的100年中，礦工就順著石英的縫隙尋找 微微發光的黃金。

金礦的石英里鑲嵌的黃金的純度非同尋常， 有時可高達85%。這些厚厚的金屑在石縫中蜿蜒，在陽光下發出微弱的、讓人熟悉的金黃色輝光。其餘的成分中，有14.5%是銀，以及微量的重金屬。這一帶區域的黃金幾乎是俯拾即是：在河床上隨便走走，就有可能撿到純金塊。考慮到截至2010年，金價仍高達每 克30英鎊，不難理解為什麼像這樣的金礦仍然沒有關閉。

如果在這裡停下來，開始想想這一切，我們大概會感到有點奇怪：為什麼我們賦予黃金如此高的價值呢？縱觀歷史，人們為了獲得黃金可以說是不顧一切，但想想看，黃金並不能拿來做什麼非常有用的事 情。銅和鐵可以讓我們生存，但黃金幾乎全然無用。花費了大量力氣開採出來的黃金，主要被裝飾在首飾 上。除了看起來閃閃發亮以外，黃金的唯一價值在於其極度地罕有，這使得黃金價格一直高不可及。人類 歷史上挖到的所有黃金—每一絲都能講述一個慘劇與狂喜、艱辛與暴富的故事—只能填滿3個標準游泳池。

黃金之所以如此珍貴（3個游泳池相較於一個星球），正是因為它們如此稀缺；但它只是地球上許多極其稀缺的元素中的一種。 宇宙中有60多種比鐵重的元素。在它們之中，有的元素非常珍貴，比如金、銀和鉑；有的元素對於生命是不可或缺的，比如銅和鋅；有一些只是非常有用，比如鈾、錫和鉛。在質量非常大的恆星的內核中，通過一種叫「中子俘獲」的過程，恆星可以製造出輕於鉍——209（第83號元素）的元素，但這不足以創造出如今我們所見的這麼大量的重元素。很簡單，因為宇宙中還沒有過足夠多的超大質量恆星。 能製造大量重元素的環境只存在於最罕有的天文事件之中。這些事件可是名副其實地稍縱即逝，因為對於一個包含1000億顆恆星的星系而言，屬於製造大量重元素的極端環境的時間，平均每個世紀只有不到2分鐘。