恒星誕生以前

丹尼爾·沃爾夫·薩文

不可思議的“英雄”讓星光的存在成為可能。

憑借其神秘的起源、光明與黑暗的力量和復(fù)雜得足以讓化學(xué)巨頭巴斯夫公司臉紅的化學(xué)反應(yīng)，宇宙完成了有史以來(lái)最盛大的一場(chǎng)合并。為了將這個(gè)故事拼湊完整，科學(xué)家抬頭仰望星空，同時(shí)也在實(shí)驗(yàn)室中模擬宇宙有史以來(lái)最極端的環(huán)境。最后的結(jié)果讓人感到十分驚訝：如果沒(méi)有那些不可思議的“英雄”在其中發(fā)揮作用，這一切就無(wú)法發(fā)生，而且永遠(yuǎn)也不會(huì)發(fā)生。其中最重要的兩位“英雄”——至少在涉及恒星形成的時(shí)候——能夠?yàn)樯男纬商峁┍匦璧闹卦兀鼈兙褪前滴镔|(zhì)和氫原子。細(xì)節(jié)暫且不談，以下就是它們的故事。

暗物質(zhì)

我們都知道是宇宙大爆炸創(chuàng)造了物質(zhì)，但其過(guò)程我們?nèi)匀粺o(wú)法完全理解。大部分物質(zhì)——約占總量的8 4%——似乎只與引力相互作用，既不與光相互作用，也不發(fā)射光，被稱(chēng)為暗物質(zhì)。剩下的1 6%被稱(chēng)為重子或普通物質(zhì)，它們構(gòu)成了我們通常所見(jiàn)的宇宙。普通物質(zhì)不僅與引力，而且與電磁相互作用，發(fā)射或吸收光（即輻射）。

當(dāng)宇宙膨脹并冷卻下來(lái)時(shí)，大爆炸產(chǎn)生的部分能量轉(zhuǎn)化成了普通物質(zhì)：電子、中子和質(zhì)子（后者相當(dāng)于電離氫離子）。如今，質(zhì)子和中子能一起舒舒服服地待在原子核里，但在宇宙大爆炸發(fā)生之后的幾秒里，質(zhì)子和中子融合形成的任何較重的原子核都很快被伽馬射線的高能光子炸飛了。大爆炸殘余的熱輻射場(chǎng)中有充足的高能光子，溫度過(guò)高，什么也辦不成。但幾秒后形勢(shì)好轉(zhuǎn)，輻射溫度下降到約1 01 2K——雖然仍比我們習(xí)慣的室溫3 0 0 K 高得多，卻為早期宇宙中的物質(zhì)形成了差異化的世界。

當(dāng)溫度降低到較重的原子核能夠躲過(guò)伽馬射線的轟擊時(shí)，原初核開(kāi)始合成，產(chǎn)生的核力讓質(zhì)子和中子結(jié)合，直到宇宙膨脹使得溫度低到這些聚合反應(yīng)無(wú)法繼續(xù)。在這段時(shí)間里，宇宙中充滿(mǎn)了原子。最后，構(gòu)成宇宙的元素為約7 6%的氫、2 4%的氦和微量的鋰。所有元素都以電離形式存在，這是因?yàn)闇囟忍?，電子法穩(wěn)定地繞原子核運(yùn)行。在最早的恒星形成，并出現(xiàn)元素周期表上的其他元素之前，宇宙的狀態(tài)都是如此。

然而，在這些恒星形成之前，新出現(xiàn)的氫原子和氦原子必須聚集起來(lái)才能形成密集的氣體云。如果宇宙中較密集的區(qū)域能靠引力吸引到周邊物質(zhì)，就能夠形成這些云。問(wèn)題在于，早期宇宙是否能聚集到足夠的程度使其發(fā)生。

為了回答這個(gè)問(wèn)題，我們可以看看現(xiàn)在的夜空。在那里我們可以看到微波輻射的背景光，它里面包含的圖樣更為模糊。這個(gè)所謂的宇宙微波背景輻射可以追溯到宇宙大爆炸之后的3 7.7萬(wàn)年——只是宇宙年齡的很小一部分。拿一位生活在美國(guó)、年齡為8 1歲的女性做例子，這只相當(dāng)于她人生中不到1天的時(shí)間。

那時(shí)，宇宙剛剛冷卻到大約3 0 0 0K，自由電子開(kāi)始被質(zhì)子捕獲，形成了中性的氫原子。宇宙大爆炸中形成的光子也擺脫了自由電子的散射，終于可以在整個(gè)宇宙中自由地流動(dòng)。這些光子繼續(xù)滲透到溫度只有2.7K 的寒冷宇宙中，構(gòu)成了宇宙微波背景輻射，這是用一系列地面、氣球和衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的。

那么，在這個(gè)過(guò)程中，暗物質(zhì)扮演了什么角色呢？因?yàn)樗恢苯优c光相互作用，也不會(huì)受到輻射的影響，因此形成了相對(duì)高度聚集的結(jié)構(gòu)。這些相對(duì)高度聚集的結(jié)構(gòu)，能通過(guò)引力吸引密度較低的區(qū)域，形成暗物質(zhì)暈并與其他暈合并。在這個(gè)過(guò)程中，普通物質(zhì)也隨之凝聚。所以說(shuō)，是暗物質(zhì)引發(fā)了恒星和星系的形成，并形成了現(xiàn)代宇宙的結(jié)構(gòu)。

氫分子

一旦宇宙變成了中性，氣體就開(kāi)始形成氣體云。當(dāng)普通物質(zhì)加速進(jìn)入暗物質(zhì)的引力井時(shí)，重力勢(shì)能就轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，創(chuàng)造出嵌在暗物質(zhì)暈當(dāng)中的、快速移動(dòng)的高動(dòng)能粒子熱氣。剛開(kāi)始時(shí)氣體云的溫度約為1 0 0 0K，到宇宙大約5億歲時(shí)，它們?cè)杏隽俗畛醯暮阈恰?/p>

要形成恒星，氣體云需要達(dá)到一定的密度;但如果組成氣體云的分子過(guò)熱，就會(huì)朝著各個(gè)方向擴(kuò)散，因而達(dá)不到它需要的密度。因此，要完成這一過(guò)程，首先是通過(guò)將它們的動(dòng)能輻射到更廣闊的宇宙中來(lái)讓氣體分子減速，這時(shí)溫度會(huì)降到1 0 0K 以下。

但這一過(guò)程無(wú)法讓它們自己降溫：由于原子像臺(tái)球一樣碰撞，它們彼此交換動(dòng)能，但氣體的總動(dòng)能始終保持不變，因此需要一個(gè)催化劑讓它們冷靜下來(lái)。這個(gè)催化劑就是氫分子（兩個(gè)氫原子通過(guò)共享電子而結(jié)合）。熱粒子與啞鈴狀的氫分子相互碰撞，把自己的部分能量轉(zhuǎn)移給分子，使其旋轉(zhuǎn)。最終，這些興奮的氫分子會(huì)放松下來(lái)，通過(guò)把從云中逃離、攜帶能量的光子發(fā)射到宇宙中去，回到它們的最低能量態(tài)（或基態(tài)）。

要形成氫分子，原子氣體云需要進(jìn)行一些化學(xué)反應(yīng)?？紤]到整個(gè)宇宙中只有三種元素，任何化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生都會(huì)讓人覺(jué)得不可思議。然而，有關(guān)早期氣體云最復(fù)雜的化學(xué)模型中包含了近5 0 0種可能的反應(yīng)。幸運(yùn)的是，要理解氫分子的形成，我們只需要關(guān)注其中的兩個(gè)關(guān)鍵過(guò)程。

化學(xué)家將第一個(gè)化學(xué)反應(yīng)命名為“結(jié)合性分離”， 這個(gè)名稱(chēng)與《精神疾病診斷與統(tǒng)計(jì)手冊(cè)》中的一項(xiàng)心理癥狀很吻合，臨床醫(yī)生可能會(huì)為此開(kāi)具鋰作為處方。最初，氣體云中的大部分氫以原子形式存在，單個(gè)質(zhì)子的正電荷會(huì)與單個(gè)軌道電子的負(fù)電荷相抵消。然而，一小部分氫原子捕獲了兩個(gè)電子，形成帶負(fù)電荷的氫離子。這時(shí)中性的氫原子與帶負(fù)電荷的氫離子彼此結(jié)合，產(chǎn)生的額外電子能夠分離并留下中性的氫分子，用化學(xué)符號(hào)可表示為H+H-→H2+e-。雖然結(jié)合性分離只能把約0.0 1%的氫原子轉(zhuǎn)化為氫分子，但這一小部分足以使氣體云開(kāi)始冷卻，密度變大。

當(dāng)氣體云充分冷卻、變得足夠密集時(shí)，第二個(gè)化學(xué)反應(yīng)開(kāi)始了。它被稱(chēng)為“三體反應(yīng)”，寫(xiě)作H+H+H →H2+H。這場(chǎng)“三角戀”始于三個(gè)獨(dú)立的氫原子，最后以其中兩個(gè)成雙成對(duì)、第三個(gè)遭受冷落為結(jié)局。三體反應(yīng)基本上可以把氣體云中剩余的所有氫原子都轉(zhuǎn)化為氫分子。一旦氫原子完全轉(zhuǎn)化為氫分子，氣體云就會(huì)冷卻到一定溫度，從而能夠凝結(jié)成恒星。

恒星

從密集氣體云的形成到在恒星的核心點(diǎn)火融合，這個(gè)過(guò)程的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)前面發(fā)生的所有反應(yīng)。事實(shí)上，即使用現(xiàn)有最復(fù)雜的計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，也無(wú)法企及研究對(duì)象變成恒星大小以及融合開(kāi)始的時(shí)間點(diǎn)。模擬2億年間的大部分過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要用高速并行處理計(jì)算機(jī)運(yùn)算約1 2小時(shí)就可以。問(wèn)題在于最后的1萬(wàn)年，由于氣體的密度變大，云的結(jié)構(gòu)變化也越來(lái)越迅速。所以，對(duì)恒星形成的早期階段，人們只需要計(jì)算每隔1 0萬(wàn)年左右的云的變化，而對(duì)最后1萬(wàn)年卻必須計(jì)算每隔幾天的云的變化。計(jì)算量的急劇增加，意味著要在現(xiàn)有最快的計(jì)算機(jī)上連續(xù)運(yùn)算超過(guò)1年的時(shí)間。要對(duì)原始?xì)怏w云所有可能的初始條件進(jìn)行模擬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了一個(gè)人一生所能完成的工作量。因此，我們?nèi)匀徊恢烙钪嬷械谝淮阈堑馁|(zhì)量分布，而且由于恒星的質(zhì)量決定了它的核心包含哪些元素，這也阻礙了我們繼續(xù)探索宇宙的步伐。

那么，宇宙到底是通過(guò)什么途徑合成了生命所需的元素？我們當(dāng)中那些迫不及待想知道答案的人，現(xiàn)在寄希望于另一位英雄——摩爾定律。