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我们身体中的这种微量元素,竟来自于宇宙大爆炸?

来源:格致论道讲坛

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元素。

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?

恒星产生了所有元素

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?

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?

人类生命元素起源

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。

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900万条的天体光谱,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。

忧郁的贫金属星

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。

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。

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。

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