第二章
从星尘到行星，生命之所栖

“如果你真想从头开始制作一个苹果派，那么你得先创造宇宙。”

卡尔·萨根（1980）

宇宙诞生时，各处温度都奇高无比，连原子都难以稳定存在，更别提结合成复杂的生物分子了。138亿年前的 大爆炸 后，高温、致密的宇宙逐渐膨胀与冷却下来，生命才得以存在。这期间，原子、星系、恒星、行星与生命次第登场。现在我们来看看这一过程如何产生了生命的家园—地球。

我们从现在的宇宙结构开始，这能为了解它的历史提供一些线索。现在，想象一次前往可观测宇宙边缘的旅程，我们将以光速—300000千米每秒—前进，到达384000千米之外的月球只需1.3秒。下面是一个直径2.7毫米的地球和相应比例的月球的示意图：

这个尺度下的比较是非常容易理解的。但是当我们意识到在相同的比例尺下，太阳的直径是30厘米并且距离上图的地月系统有30米时，这就开始有些挑战性了！在相同的比例尺下，离我们最近的恒星，半人马座的比邻星的直径将只有约4厘米，比太阳要小。但是，为了保持相同的比例尺，我们得把它放在距这本书8650千米之外的地方，这大致相当于从旧金山到伦敦的飞行距离。

继续我们的光速旅程，我们将花费8.3分钟从地球飞临太阳，接着花4个多小时飞完至海王星的平均轨道距离，它位于八大行星的最外围。4.2年后，我们将来到半人马座的比邻星。为了更好地比较这些遥远的距离，我们将以光速运动一年的距离定义为1 光年 ，约等于9.5万亿千米。因此，比邻星与地球的距离是4.2光年。

圆盘形的银河系直径达10万光年之巨，多达3000亿颗恒星集中在它的旋臂中，而太阳和比邻星只不过是这3000亿颗中的两颗。星系往往包含数百万到数万亿颗恒星，银河系只能算中等大小。太阳系坐落于猎户座旋臂，处在距银河系中心约三分之二半径远的地方。与其他那些恒星分布得更密集的旋臂相比，猎户座旋臂显得平凡而暗淡。但是太阳系在银河系旋臂中的位置可能对地球生命的诞生至关重要。地球可能因此避免了某些灾难事件，比如邻近恒星的爆炸。要是这样，在星系中可能会存在一个适合生命的特定区域，被称为“银河系宜居带”，我们将在第七章详细讨论。

在更大的范围内，我们可观测到的宇宙中有超过1000亿个星系，组成不同的星系群和超星系团。以银河系和离我们最近的螺旋星系仙女座星系（大约250万光年）中点为中心，在直径约1000万光年的范围内，大约存在50个星系，一同组成了 本星系群 。按照这个规律，这个星系团及100多个周围的星系团组成了一个直径为1.1亿光年的 室女座超星系团 。在数十亿光年尺度的星图上，我们将看到由无数零散的小点所连接成的各种各样的纤维状结构，其中的每一个小点都是一个星系。而在三维空间中，人类已知的最大宇宙结构—宇宙纤维状结构—连接成一张有许多巨大孔隙的网。整个光怪陆离的结构看起来就像由一只疯狂的星际蜘蛛织就。

可观测宇宙有多大？如果宇宙空间没有膨胀，最远的距离将是138亿光年，因为大爆炸发生于138亿年前。但是宇宙空间已经发生了膨胀，所以可观测宇宙的实际大小约有470亿光年。如此浩淼的空间是天体生物学研究值得考虑的因素，因为对银河系内恒星周围行星的调查表明，平均而言，每颗恒星至少拥有一颗行星。其中一部分行星应该是宜居的，可能至少有1%。因此，生命的潜在宜居天体数量可能超过10万亿亿。

宇宙的结构要追溯到大爆炸时。20世纪20年代，美国天文学家埃德温·哈勃通过望远镜观测发现，由于空间膨胀，星系正在大规模地远离彼此。因此，在很久之前，所有物质应当是“揉作一团”且温度极高的。这种思考指引我们找到了支持“大爆炸”假说的强有力证据。如今，大爆炸的余晖— 宇宙微波背景辐射 —弥漫在整个宇宙之中。如果“大爆炸”假说是正确的，物理学理论表明，在早期宇宙冷却之前，它一定是一团不透光的火球，由电子及质子（分别是构成原子的负电性和正电性基本粒子）、光量子（简称光子）和一些聚变质子组成。在大爆炸后约38万年，宇宙开始冷却，温度降到电子能够与质子或一组质子结合形成最小的两种原子：氢原子和氦原子。从这一刻起，宇宙对光来说变得“透明”了。而在此之前，光子会与宇宙中的自由电子碰撞而发生散射，原理类似于光线在雾中微小的水滴上弹射导致雾不透光。自从变得可以透光以来，宇宙膨胀了约1000倍，大爆炸残余光子的波长也因此拉伸了相同倍数，从红光变成微波。令人惊奇的是，给一台老式电视机或收音机调台时，你仍然能听到由大爆炸剩余辐射产生的静电发出的沙沙声，尽管只有1%或更低的水平。事实上，1964年人们正是从大型无线电天线的信号噪声中发现了微波背景辐射。最初，人们将噪声归咎于天线上的鸽子粪便。但是，在清理了粪便和除掉了那些不幸的鸽子后，人们才发现真正的罪魁祸首是宇宙的开端。

大爆炸发生数亿年后，星系才开始出现。一些地方有比平均水平略多的物质，从而产生了更大的引力。物质聚集产生了星系，而在星系内部更小的尺度上，气体云在自身引力下碰撞坍塌。随着气体云的收缩，气体分子间的碰撞导致星云内部升温，最终形成一个炽热明亮的气体球—恒星。

天体生物学中使用“天体”的部分原因是，生命所利用的所有原子，除了氢，都创造于恒星内部。第一批恒星应该只由在大爆炸中制造的元素组成：氢（占总质量的四分之三）、氦（占总质量的约四分之一），以及少量的锂。水中的氧、蛋白质中的氮或是所有有机分子中都含有的碳，这些元素都不是一开始就存在的，而是恒星最终把它们制造出来的。

要了解恒星如何制造元素，可以想想太阳是怎样发光的。在太阳内部，巨大的热量将每个原子都剥离成了它的基本组成部分，即带正电的原子核和带负电的电子。太阳核心的温度高达1600万摄氏度，足以使四个氢原子核发生聚变，产生一个氦原子核。这一核反应会伴随光子的释放。每一个光子都要经过100万年的漫长旅程才能从太阳内部到达外部太空。之所以需要这么长的时间，是因为每一个光子在遇到物质时都会被不断地吸收和发射出来，这个过程也存在能量损失。开始时，光子是高能的伽马射线，而当它从太阳内部逃逸出来时，整体上变成了能量较低的可见光。20世纪50年代，物理学家们用氢弹再现了太阳内部的核反应。事实上，因为被外部物质的巨大质量所包裹，像太阳这样的恒星，核心类似于不会爆炸的氢弹。

太阳核心的氢聚变不会永远进行下去，但它最终会摧毁地球上的生命（这里部分地回答了天体生物学的经典问题“生命的未来会怎么样？”）。在大多数恒星的核心，氦“灰烬”的积累会导致温度持续降低，以至于无法继续诱发氢聚变。此时，恒星在自身引力作用下收缩，温度随之升高，直到在核心周围的壳层引发氢聚变。聚变释放的能量会使恒星外层膨胀、冷却和变红。这就是 红巨星 的形成过程。金牛座中最亮的恒星毕宿五就是一颗红巨星。太阳最终也会变成一颗红巨星，将在75亿年后膨胀200倍，到时候可能会吞没地球。氦的进一步形成和积累将会挤压红巨星的核心，使其温度达到1亿到2亿摄氏度，足以让氦发生聚变产生碳和氧。相应地，太阳内部将会形成一个发生氦聚变的壳层，包裹着由碳和氧“灰烬”组成的核心。对于4到8倍于太阳质量的恒星，它们甚至会发生碳和氧的进一步聚变，形成更重的元素，包括氖和镁。

一般来说，在类太阳恒星垂死挣扎的过程中，它的外层会脱落到太空中。这些发光气体壳层被称为 行星状星云 ，因为在低倍率望远镜下它们看起来就像行星一样，但是跟行星毫无关系。恒星的残骸冷却下来形成 白矮星 ，它们的大小和地球相仿但密度巨大。理论上，白矮星会在几百亿到几千亿年后停止发光，成为 黑矮星 ，但宇宙还没有那么老。

质量超过太阳8倍的恒星最终会爆发成 超新星 。目前，太阳核心的氢聚变阶段已持续46亿年，到达了100亿年寿命的半途，但是大质量恒星往往经过不到6000万年就会变成 红超巨星 ，例如猎户座中的参宿四。在这些大质量恒星内部，环绕核心的聚变壳层会产生氖、镁、硅、铁等元素。铁通常是所生成元素中最重的，但有些更重的元素可以通过自由中子加入已有原子核而产生。（中子是不带电荷的粒子，通常存在于原子核中。）当这些恒星的燃料燃尽时，核心压力增大，以至于带负电荷的电子与铁原子核中带正电荷的质子结合。电荷相互抵消，从而产生不带电的中子，其结果就是恒星核收缩成一个半径为12千米的、只由中子构成的“巨型原子核”。收缩过程会伴随恒星的其余部分向致密的中子核坍缩以及剧烈的回弹，形成超级明亮的超新星。

超新星产生并向宇宙中提供了比铁重的元素。超新星爆发几秒后，其外层被加热到了难以想象的100亿摄氏度，内层发生原子核的破碎，为制造更重元素的反应提供了充足的中子 。这种宇宙炼金术制造出金、银、铂等重而珍贵的元素。超新星爆发的重要生命效应是，它喷出的物质构成了新一代恒星与生命的居所—行星—的基础。如果恒星的质量达到太阳的几十倍，那么尽管仍然会有超新星爆发，但它核心的坍缩会产生一个 黑洞 —一种质量极大的天体，没有任何东西能逃脱它的引力，包括光。

通常认为，恒星周围的行星孕育出生命的最佳时间是，恒星处于核心发生氢聚变成氦的反应的 主序 阶段。在天文学最著名的 赫罗图 （图1；Hertzsprung-Russell图，得名于它的两位发明者：赫茨普龙与罗素）上，“主序”指的是从左上到右下的对角线涵盖的区间。这幅图展示出了恒星亮度与表面温度的关系。这里需要指出的是，天文学家所说的“表面”并不是指某个坚硬的表面，而是指恒星大气层中发射大部分光的层面，也是我们目前能看到的最深的地方。

奇怪的是，赫罗图中温度轴是反过来的，从高温到低温。这是为了与使用字母O、B、A、F、G、K和M来代表从炽热的蓝白色恒星到较冷的红色恒星的颜色编码保持一致。这些字母代表了恒星的 光谱型 。一代又一代的天文学学生都利用“哦，做个好女孩/男孩，吻我！”（Oh Be A Fine Girl/Guy Kiss Me!）的口诀来记忆恒星光谱型。这些字母本身并不代表任何东西，最早是19世纪的天文学家用来代表光谱型的，与我们没什么关系。

在主序中，质量最大的恒星在左上角，质量最小的恒星在右下角。无论质量如何，主序星都被叫作矮星，比如太阳就是一颗G型矮星。对于冷红矮星来说，主序星阶段可持续超过500亿年。

恒星“生存”与“死亡”的方式对天体生物学的影响是十分广泛的。我们的太阳是一颗正值中年的主序星，为地球上大多数生命依赖的光合作用提供稳定的能量。正如一开始所提到的，构成生命的原子产生于红巨星和超巨星。此外，氧、硅、镁和铁等元素最初都是由整数个氦原子聚变而成的，并且核聚变过程产生了大量的这些元素。这对于生命来说也是非常重要的，因为正是这些原子构成了岩石。也就是说，包括我们生活的地球在内的岩质行星都是恒星光芒背后的物理过程的自然产物。我们目前还知道太阳至少是第二代恒星，因为地球上存在像金这样的超新星元素。既然在132亿岁高寿的银河系中太阳只存在了46亿年，那么在地球生命诞生前，自然已经发生过许多次恒星的诞生与毁灭。更早的恒星支持行星与生命，甚至智慧生命吗？它们发生了什么？这引出了一个问题：我们的行星是如何形成的？ PBq13M2qaOT17PysSfjjx1fRW5xDsPyHYjVYnC6hUSAna0txGORDZWxLpZSHS5Mv