​氢氦锂铍硼，元素周期表上的元素都来自于恒星？

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氢氦锂铍硼……元素周期表上的元素都是怎么来的？

宇宙大爆炸的3分钟里产生了大量的氢、一些氦和极其微量的锂，2亿年后宇宙中才出现了第一代恒星，恒星的内部就是一个高温、高压的宇宙熔炉，它们开始制造新的化学元素，最终形成了五彩斑斓的世界。来自国家天文台的李海宁副研究员，她的工作就是去寻找130亿年前最古老的恒星，破解它们身上携带的宇宙生命密码。

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李海宁

中国科学院国家天文台副研究员

以下内容为李海宁演讲实录：

大家好！我是来自国家天文台的李海宁。今天我向大家讲述的是天上的星星告诉我们的关于遥远星光的秘密，以及生命物质起源的故事。

像每一个妈妈一样，我心情不好的时候只要看一眼我的儿子，就会觉得什么都不是事儿了。但是作为一个学天文的妈妈，我在他的身上还能看见一件很奇特的东西，那就是130亿年前的宇宙，你相信吗？

他的身体里和我们一样，由很多种元素构成，其中最主要的有6种，包括水里面的氢和氧、有机物里的碳、牙齿和骨骼里的钙，以及蛋白质里面的氮，还有给我们细胞供能的磷。

别看我的儿子只有2岁，可是他身体里的这些原子，其实已经在宇宙的时空里穿越了百亿年的时间。是不是觉得我在讲一个科幻小说？

故事要从上个世纪40年代开始讲起，那时候的人们只知道大爆炸产生了氢、氦和锂，对于其他元素从何而来一无所知。这个时候一个叫弗雷德·霍伊尔的英国天文学家站了出来，他说：“是恒星产生了所有元素。”他发表了一篇文章，但是在学术界并没有引起多大的关注。

于是他找来了三个非常厉害的帮手，这四个科学家努力了好几年的时间，终于在1957年的时候，发表了一篇重要的文章，他们给出了一套完整的恒星如何合成元素的理论。

恒星的内部就是一个高温、高压的宇宙熔炉，我们在元素周期表上所能看到所有的元素都是在这里产生的。别看这篇文章没有抓人眼球的标题，也不是发表在Nature上，却赢得了诺贝尔物理学奖。

虽然很可惜得奖的不是霍伊尔，但是他非主流的观点确实刷新了我们对于宇宙起源的认知。所以现在我们知道了，恒星里的宇宙熔炉从130亿前年就开始生产各种各样的化学元素，那这么多的元素究竟是如何穿越了百亿年，最后来到太阳系进入我们的身体中呢？

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我们来看一段视频。大约在137亿年前，“砰”的一声，宇宙大爆炸了，宇宙爆炸大约3分钟的时间产生了大量的氢、一些氦和极其微量的锂。这锅大爆炸“浓汤”开始冷却，冷却大概到2亿年的时候，宇宙里出现了第一代恒星，它们开始制造新的化学元素。这些恒星非常明亮而庞大，它们用极其壮烈的方式——超新星，结束了自己短暂的一生。

而它们所生产的这些化学元素被喷射到四面八方，并且遗传给了下一代恒星。就是这样，一代又一代的恒星，可谓前仆后继，使得我们宇宙当中化学元素的种类和数量不断地增加。直到有一天，恰好能够形成太阳系的生命了，我们就出现了。

正是因为这样，才有了《魔法炉》里那段十分经典的独白：“为了我们能够活着，数十亿、数百亿乃至数千亿的恒星死去了。我们血液里的铁、我们骨骼里的钙、我们每一次呼吸的氧，所有这些都是从地球诞生很久之前的星星的熔炉里炼制出来的。”

这是一张大家都很熟悉的元素周期表，有没有人一看到它就觉得头大呢？天文学家非常人性化，他们发明了一张特别的元素周期表，我们把所有比氦重的元素全部称为金属，注意是所有比氦重的元素，不仅仅是我们日常概念中的金属，这些金属元素的总和，就叫作金属含量。

随着宇宙不断地变老，金属含量这个“雪球”也越滚越大，每一代新诞生的恒星，它身体里的金属含量都会比它的祖先上一代稍微多一点点。一直到今天，这些“小鲜肉”恒星们，它们已经继承了成千上万代恒星的遗产，所以它们体内的金属含量已经是130亿年前老祖宗的200万倍。如果有一天你恰巧碰到一个金属含量很低的恒星，那么恭喜，你看到了宇宙的极早期。

我想问大家一个问题，你们觉得我们能看到最早的恒星吗？由于限于我们现在的观测能力，第一代恒星对我们来说，就像黄帝尧舜一样，只是一个传说。而我们现在能够直接观测到的最古老的恒星，其实是它们的直系后代，这些恒星还来不及攒多少金属，所以我们叫贫金属星。

别看这个名字不怎么样，但是它们对于宇宙演化的意义可一点都不“贫”。如果说现在的宇宙有100岁，这些贫金属星出生的时候，宇宙还没有上学，所以在它们的身体里隐藏了许多宇宙“婴幼儿时期”的重要信息，这也是为什么天文学家亲切地称它们为“宇宙化石”。

关于我们人类生命元素的起源还有很多的疑问，比如说我们水里的铁、骨骼里的钙，第一次产生在宇宙是什么时候？宇宙早期的化学成分跟今天的我们之间，是不是有相似的地方？提取这些贫金属星的化学成分就成为我们获得答案的唯一途径。

如果现在让你去提取一颗恒星的化学成分，你打算怎么做呢？显然我们不能把星星搬回实验室或者办公室来研究，所以天文学家要用望远镜来观察它们。一说到观星，天文爱好者应该激动了，每个人的脑海里都会出现各种美轮美奂的星空。

不过我眼中的星星跟大家想象的星空都不一样，这就是我看到的星星，这其实是一条二维的恒星光谱。你们看到的横向的每一层是我们眼睛中所能看到的不同颜色的星光，而这些竖线则是炙热的星光穿过较冷的外层大气时，在特定的波长产生的吸收。也就是说，这每一条暗线，都是某一个元素在星光里给我们留下的特定信息。

给大家看一张图，是不是二维光谱和这个图有几分相似呢？这个图是人类的基因图谱。所以说恒星光谱隐藏了恒星的基因一点都不为过，可是我们该怎么来提取这些基因呢？这就要用到天文研究上更常见的一维光谱了。

看到这个光谱大家有什么感觉？很单调，甚至有点密集恐惧的味道。不过我很负责任地告诉你们，这已经是我找到最好看的一条一维光谱了。千万别小看它，它的作用非常的大。

我们通过测量这个里面谱线的强度，不仅可以知道这颗恒星制造了哪些元素，制造了多少，通过结合它外层大气的情况，我们甚至可以知道这颗恒星的年龄、体重、出生地，以及最近是不是和附近的恒星发生过激烈的冲突。所以说，恒星光谱是我们刺探恒星的秘密，提取行星DNA的一大神器。

也正是因为这个原因，我在博士期间选择了它作为我的研究方向。我还记得第一次跟我的导师讨论研究课题的时候，他给了我两条光谱让我选，你是要做和太阳差不多的年轻恒星呢？还是要去研究贫金属的古老恒星？

我选了贫金属星，而且当时我对我自己这个决定非常满意。我很好奇这些古老的星星究竟隐藏了多少宇宙早期的秘密，还有一个很重要的原因，因为我知道恒星光谱分析当中，最耗时费力、最容易让人崩溃的就是测量谱线。

贫金属星的光谱里线这么少，我可以省掉很多测量谱线的时间。不过很快我发现我的如意算盘打错了，因为像太阳这样年轻的恒星很好找，但是贫金金属的古老恒星非常难求。到底有多难找？我带给你们看看。

比如在太阳附近随便划拉一把，能找到这么多的恒星，可是蓝色的全部都是年轻的恒星，只有红色的才是我要找的贫金属星。 

红色在哪里？只有这些，我第一次知道的时候，也是我第一次切身体会到什么叫作“整个人都不好了”！不过我也还算走运，遇到了一个很得力的助手，就是我们国家设计并且建造的郭守敬望远镜，它是一个不折不扣的观星能手，它只要眨一下眼睛，就能拍下3000多颗恒星的光谱。所以，它花了5年的时间，获得了超过900万条光谱，我当然也趁机大捞了一把。

正是基于这一次贫金属星横财，我得到了我的第一个贫金属星惊喜。我发现了一颗极其古老的超级贫金属星，这颗星的年龄差不多有130亿岁，老的几乎和宇宙不相上下。在当时的恒星界，它的年老程度已经排进了世界前20。

可是很奇妙的是，我在这颗恒星的光谱里面居然探测到了氢、碳、钙、铁，这些元素可都是对我们人体生命中非常重要的元素。所以，我再一次意识到，我们身体里面的这些元素，远比我们整个人类的进化历史要古老的太多太多。

因为我研究了这些贫金属星，它都很遥远，如果我们仔细去观察它的光谱，就需要用到世界上最大的望远镜。大家猜一猜，在北半球最适合天文观测的地方在哪里？对，就是在夏威夷。

说到夏威夷你们会想到什么？阳光、沙滩、海浪、摇曳的草裙舞，我第一次去观测的时候也是带着这样的憧憬出发的，不过当我从大本营下车的时候，我惊呆了！

我是不是到了一个假的夏威夷？于是我想我可能还是做一个安静的天文学家好了。通常我们需要在刚才这个海拔2800米的大本营适应一到两个晚上，然后就可以开赴4200米的莫纳克亚山顶进行观测了。

这个山头上聚集了世界上许多高端、大气、上档次的望远镜，其中一个就是我最经常使用的昴星团望远镜。这个望远镜的口径有8米，可能这么说你不会知道它有多大，请注意左下角，这两个看不清的东西是两辆SUV，所以可以想象一下，这个望远镜是一个怎样的庞然大物。

我们进行观测的时候，通常会从当天的下午5点一直到第二天早上的7点，都在这个叫作“观测室”的地方待着。我们在这里控制望远镜，挑选要观测哪个星，并且检查我们得到的观测数据。

不要看这个房间似乎不怎么豪华，它的价格可是高到让你惊讶——每晚8万美元。我第一次去的时候也觉得特别新奇，这么贵的地方我得好好转一转。可是我发现了，我在房间里溜达的时候，一位观测助手老是盯着我看，我当时很纳闷。

后来我一问才知道，头一天晚上有一个美国小伙子，他也是第一次来观测，他很兴奋，在海拔4200米的观测室里，他有一次突然很使劲地起立，导致他后半夜的观测都是躺着完成的。

也就是在这里，我遇到了我第二个贫金属星惊喜。有一次观测，碰到第二天的天气不是特别好，看不见任何的星星，所以只能停止工作，开始聊天。到了凌晨3点钟，我感觉到了有点要尬聊的迹象，我想一晚上8万美元就这么浪费了，实在是太可惜了，我们来玩一下前一天的光谱数据吧。

在分析过程当中，我发现有一条光谱有点问题。大家注意看左下角6700埃的地方，这本来不应该有任何谱线。我们进行了反复地排查，最后证明这不是数据的错误，而是一条真实存在的、非常强的Li吸收线。

可能有人要问了，不就是探测到一个Li吗，有必要那么激动吗？Li元素对于我们人体来说，它是一个微量元素，但它也是非常重要的生命动力元素，它是唯一一种产生于宇宙大爆炸的金属元素。

虽然说我们的恒星内部其实可以合成Li，但是恒星合成的Li寿命非常的短，几乎不能够存留多久。所以说现在我们手机里供能的Li和新能源汽车电池里的Li，甚至是地球上最大Li矿的Li，全部都来自于大爆炸的最初3分钟。

对于恒星而言，Li元素也是一个微量元素，所以通常我们在光谱当中，只能看见很弱的Li吸收线，或者是根本看不到。而经典的理论和以往观测数据也告诉我们说，尤其贫金属星的Li含量极低，所以这才解释了，为什么我在贫金属星光谱里看到这么强的Li吸收线会如此意外了。

在后来的一年半的时间里面，我们又陆续找到了好几颗这样奇怪的贫金属星，这些家伙的Li含量远比正常值要高出几十倍，甚至上百倍。

当我发现这个事实的时候，我的第一反应是我可以挑战经典理论了。可是有一个做理论的合作者告诉我说你别得意太早了，还有其他的可能性来解释这些Li从哪里来。

比如说这颗贫金属星的边上住了一个邻居，它很喜欢收藏Li，贫金属星靠近它的时候，顺便顺走了一点；或者是有一颗带了很多Li的小天体，恰巧经过这颗贫金属星，被它一口吃进了肚子里。

我带着非常忐忑的心情，把我所有能用的数据翻了一个底朝天，不过结果很好，没有任何证据支持他们所说的这些过程。这下我很高兴，因为我终于可以给观测学家制造一点麻烦了。很快，我们的发现被Science News报道了，为此我还高兴了好几天。

我以前总是开玩笑说，这些贫金属星都是一些忧郁的小星星，因为它们所缺乏的Li元素，不仅可以造电池，还是一种抑制抑郁症和缓解情绪的主要药物成分。现在这些贫金属星突然得到了这么大一批Li，它们的心情会好多了吗？我不知道，但是我能确定理论学家该郁闷一阵子了。

我和贫金属星相伴已经有十年了，最开始的时候我给自己定了一个小目标：我处理一两百颗恒星就可以了。但是十年下来，我处理了近千万颗恒星的数据，测量了上亿条谱线的强度。

今天我知道了，即使在最古老的恒星当中，我们也能探测到对于人类生命来说非常重要的氢、氦、碳、氮、氧、钙、铁、锂等等元素，而我们之前一直以为只能在地球上合成的磷，最近几年也在近百亿岁的古老恒星当中被发现了。

所以我仍然很好奇，我们的宇宙究竟在什么时候达成了第一次化学上的成熟，形成了生命？为什么总有人说，只能在像太阳这样的年轻恒星附近才能发现有生命的行星系统？会不会在宇宙的极早期就已经形成了我们所不知道的最早的生命呢？

当然，所有这些谜团都需要更多的贫金属星来帮我们解答，而支持我在这条通往130亿年前的宇宙道路上继续走下去的，还有一点，就是我一直相信，这些看似不起眼的年老的小星星，一定会在未来的某个时间带给我出乎意料的新惊喜。

本文转载自“SELF格致论道讲坛”公众号

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