[宇宙的奇迹]星星之死

布赖恩·考克斯教授回来了。有了这本书《宇宙的奇迹》，他将带领我们穿越时空，踏上一段充满真知灼见和激动人心的旅程:你将见证137亿年前，930亿光年宽，1000亿个星系是分散的，每个星系包含数十亿、数万亿颗难以想象的巨星。

考克斯教授毕生致力于理解我们的宇宙。关于我们自己和我们生活的世界，我们有许多深刻的问题需要回答。在这本书里，他决心以一种特殊的、易于理解的方式找到这些问题的答案。

这本书是由科学松鼠会的两个成员谢尔登和老虎哈勃共同翻译的。以下内容选自本书第二章。

在制作电视纪录片时，我们总是寻求各种视觉手段来呈现复杂的故事。在拍摄《宇宙奇迹》时，我们在世界各地寻找可以用来做类比或作为电影背景的地方，但在我看来，最成功的场景是巴西里约热内卢中心区的一座废弃*。

这栋建筑的外墙几乎被摧毁，只留下一副砖骨架。所有的窗户，如果有的话，都不见了。每个牢房有20-30个混凝土双层床，它们彼此紧邻。除了一个小浴室外，浴室入口处还搭着几条破烂的布条作为遮蔽物。牢房的墙壁是一个奇怪的彩色拼图。迷人的年轻女孩和奇怪的足球队海报混合在其中。

这个地方有两个让我感到不舒服的特点:首先，你很难想象不被关在这里，因为在像里约热内卢这样炎热潮湿的城市，被关在钢筋混凝土笼子里几年绝对不是一件愉快的事。第二点更直接，那就是*里现在装满了炸药。从细胞里往外看，明亮的外部世界发出明亮的光，就像一颗恒星的表面一样压迫着你，使你几乎不可能同时看到黑暗的房间。但是光不进来，它停留在外面的城市。当我小心翼翼地走下坑坑洼洼、看似摇摇欲坠的楼梯时，我感觉自己仿佛正坠入一颗垂死恒星的致密核心。生活的基本要素是在这个远离光明的暴力而可怕的地方合成的。正是在这里，明星从物质消费者变成了物质生产者。

恒星生活在令人窒息的平衡中。它们的重力试图压缩各自的尺寸，所以它们的温度会上升，直到氢原子克服电磁排斥，通过核聚变反应产生氦。这个过程释放能量，让恒星发光发热，从而抵消重力。当氢耗尽时，向外的光压力消失，重力再次占据上风，恒星的结构*经历剧烈的变化。这颗恒星迅速向内坍缩，留下一层氢和氦。随着恒星的坍缩，恒星内核的温度迅速上升到1亿摄氏度，一个新的聚变反应开始了。在如此高的温度下，氦原子也克服了彼此之间的电磁力，开始结合成新的元素——这些恒星开始使用氦作为燃料。从氢聚变到氦聚变的转变有两个重要的影响:首先，恒星释放的能量足以抵消它的坍缩，因此它再次稳定并开始迅速膨胀。这是它的红巨星阶段的开始。其次，它开始合成对生命至关重要的元素。起初，一对含有两个质子和两个中子的氦核只能合成铍-8，一种含有四个质子和四个中子的同位素。这种铍同位素不稳定，很快就会衰变。但是垂死的恒星会产生极高的温度，例如，它们核心的温度会超过1亿摄氏度。这些原子核存在的时间足够长，足以与第三个氦原子结合成一种重要元素，碳-12。这是宇宙中所有碳元素的起源:地球生命中的所有碳原子都来自垂死恒星的心脏。

氦燃烧的阶段不会随着碳的合成而结束，因为在这个极热的阶段，恒星内部的环境允许氦核与新形成的碳核结合，从而产生氧，这是生命不可缺少的另一种元素。氧气占我们呼吸空气的21%。它也是水的基本成分，生命之源，是宇宙中仅次于氢和氦的最常见元素。我们每个人每分钟吸入大约2.5克氧气，所以这里也许应该强调，这种重要的气体最初是在非常不适合生命的环境中产生的。

与它的长寿相比，恒星可以在一眨眼的时间里产生碳和氧。大约一百万年后，恒星也耗尽了氦，对许多恒星来说，发光的日子已经过去了。对于普通大小的恒星，如太阳，精力充沛的岁月一去不复返了。当太阳在大约100亿年后到达这个阶段时，它的重力不足以进一步压缩核心以重新开始聚变反应。这时，它会变得越来越不稳定，在内部产生许多强大的压力点，直到整个恒星外壳最终爆炸，释放出珍贵的氧、碳、氢和许多其他元素进入深空。在这短暂的时间里，可能不到几万年，垂死的恒星将会画出宇宙中最美丽的图画之一:行星状星云。

在短暂的宇宙光表演之后，这些恒星会收缩成一个比地球小的小物体:白矮星。这是数万亿颗这样的恒星的最终命运。但是对于像参宿四这样的巨星来说，这个故事还远没有结束。质量是太阳1.5倍的恒星将继续运行元素生产线。当氦融合结束时，重力将进一步压缩恒星的核心。这时，内核的温度再次上升，开始了宇宙中第三轮元素生产线。当核心温度上升到几亿摄氏度时，碳和氦结合形成氖。一些数据指出，只有当恒星的质量是太阳的9 ~ 10倍时，它才能引发碳、氖和氦的核聚变反应，形成镁，两个碳原子结合形成钠。越来越多的元素成为炉子里的原料。随着温度的升高，重元素一个接一个地产生。核心进一步收缩，温度继续上升，引发新一轮的融合，把新生成元素的外壳留在外面。

在合成了元素周期表的前25种元素后，失控的生产线开始使用硅作为燃料，并开始了一系列复杂的反应来合成第26种元素铁。这时，这颗恒星的温度已经达到25亿摄氏度，但不会继续上升。这时，原子核的稳定性已经达到了顶峰，无论如何将质子或中子插入铁原子，它都不再释放能量。恒星合成铁的最后阶段只有几天。在挤压出它最后的结合能以阻止重力坍缩的过程中，这颗恒星形成了一个几乎完全的铁芯。聚合反应就此停止。当一颗恒星形成一个铁芯时，留给它的时间只有几秒钟。万有引力赢得了彻底的胜利。恒星在自身重量的作用下不可避免地坍缩，成为行星状星云。

当我在镜头前离开*时，某个地方按下了一个按钮，整栋建筑倒塌成了废墟。毁灭只花了几秒钟——大约相当于像参宿四这样的红巨星坠落的时间。

就像一颗垂死的恒星，随着时间的推移，一座建筑的结构和它所在的地基会变得越来越不稳定。人们帮助*更快地摧毁了它，但是一颗恒星在其生命结束时自行爆炸，形成了一个壮观的行星状星云。摧毁这座*只需要几秒钟，这与红星坍塌所需的时间相似。】

下面的图片都是行星状星云。

爱斯基摩星云之所以叫这个名字，是因为它看起来像一张戴着毛皮兜帽的脸。它是由威廉·赫歇尔于1787年发现的。】

[这张合成图像捕捉到了螺旋星云。在地球上，这个行星状星云看起来像一个甜甜圈。但是最新的研究表明它实际上是由两个气体圆盘组成的。】

[IC 4406是一个被垂死恒星吹出的行星状星云。像许多其他行星状星云一样，它看起来高度对称。IC 4406也被称为视网膜星云，因为由*恒星抛出的尘埃颗粒看起来非常像视网膜。】

[葫芦星云距离地球约5000光年或47000万亿公里。这张由哈勃太空望远镜拍摄的图像显示了恒星喷射出的物质。】

[MyCn18是一个年轻的行星状星云，早在20世纪初就为人所知。然而，这张由哈勃太空望远镜于1996年1月拍摄的照片首次揭示了星云沙漏状的形状和复杂的结构。】

[“猫眼星云”可能是这个星云的正确名称(它的官方编号是NGC 6543)。它是人类发现的第一个行星状星云之一，由威廉·赫歇尔于1786年发现。这是宇宙中已知的最复杂的星云之一。】

[这张摄于1997年7月20日的照片显示了Mz3星云。Mz3一直被称为“蚂蚁星云”，因为它看起来像地球上蚂蚁的头和躯干。仔细观察表明，蚂蚁的躯干似乎是由两片热花瓣组成的。】

[这个行星状星云被称为科胡特克55或k 55，以它的发现者捷克天文学家卢伯斯·科胡特克的名字命名。不同寻常的是它的多层气体外壳结构。】

最稀有的物质

[加州的11金矿曾是美国淘金热的中心，现在它是少数仍在开采的金矿之一。在这里和矿工一起淘金是一次有趣的经历。当我仔细观察这些看似普通的石头时，我能隐约看到熟悉的金色，表明这块石头里其实藏着一块金子。】

元素周期表中的前26种元素是在恒星的核心区域合成的，并随着恒星不可阻挡的死亡扩散到宇宙的各个部分。但是其他72种元素——其中一些是生命不可或缺的，或者我们认为是非常珍贵的——是从哪里来的呢？如果他们不是出生在恒星中，他们会从哪里来？

在加利福尼亚西北部的一个偏远的森林里，这座山隐藏着一个秘密。仅仅一个世纪前，这个秘密使得宁静的松林成为淘金者的最终目的地。尽管今天它相当空旷，但在19世纪下半叶，它是加利福尼亚淘金热的中心。成百上千的人来到这里，有些人用最简单的铲子，有些人用最先进的采矿技术，不惜一切代价致富。黄金价值数亿美元，造就了世界上最大的城市之一旧金山。对黄金的*已经消退，但隐藏在塔霍湖周围森林中的11金矿仍然是加利福尼亚为数不多的仍在开采的金矿之一。

近100年来，矿工们一直在11金矿工作。由于其独特的地质结构，它是世界上产量最高的金矿之一。加利福尼亚的一个独特之处是它位于北美板块和太平洋边缘板块的交界处。

整个地区位于一个巨大的断裂带上，山上有数以千计的小断层。当你走进金矿时，你实际上是在一个缓坡的隧道里沿着水平方向向山里面走。然后你会发现错误无处不在。它们似乎是岩石和应时之间的可见边界——一个由微小断层组成的迷宫。1.4亿年前的侏罗纪时期，恐龙还在金矿上漫步，那里的热水和财宝一起涌出，流过岩石。热水将从地下深处的黄金中提取出来，并被卡在应时的裂缝中。在过去的100年里，矿工们一直在应时的裂缝中寻找微微发光的黄金。

应时金矿中镶嵌的黄金纯度非同寻常，有时高达85%。这些厚厚的金屑蜿蜒穿过裂缝，在阳光下发出微弱的、熟悉的金色光芒。其余的14.5%是银和微量重金属。黄金在这个地区几乎无处不在:如果你绕着河床走，你会发现纯金。考虑到2010年黄金价格仍高达每克30英镑，不难理解为什么像这样的金矿还没有关闭。

如果我们在这里停下来，开始思考这一切，我们可能会感到有点奇怪:为什么我们给黄金如此高的价值？纵观历史，人们一直渴望得到黄金，但想想看，黄金不能用来做任何非常有用的事情。铜和铁能使我们生存，但黄金几乎没有用。努力开采的黄金主要装饰在珠宝上。除了看起来闪闪发光，黄金的唯一价值是它的极度稀有，这使得黄金的价格遥不可及。人类历史上挖掘出的所有黄金——每一点都可以讲述一个悲剧和狂喜、艰难和财富的故事——只能装满三个标准游泳池。

黄金如此珍贵(三个游泳池比一个星球更珍贵)，因为它如此稀缺。但它只是地球上许多极其稀少的元素之一。宇宙中有60多种比铁重的元素。其中，有些元素非常珍贵，如金、银和铂。有些元素是生命不可缺少的，如铜和锌。有些非常有用，比如铀、锡和铅。在非常大质量恒星的核心中，恒星可以通过一种叫做“中子俘获”的过程产生比铋-209(元素83)更轻的元素，但这不足以产生我们今天看到的这么多重元素。这很简单，因为宇宙中没有足够的超级巨星。能够产生大量重元素的环境只存在于最罕见的天文事件中。这些事件确实转瞬即逝，因为对于一个包含1000亿颗恒星的星系来说，创造一个包含大量重元素的极端环境的时间平均每个世纪不到2分钟。