來源：格致論道講壇

今天我向大家講述的是天上的星星告訴我們的關於遙遠星光的祕密，以及生命物質起源的故事。

像每一個媽媽一樣，我心情不好的時候只要看一眼我的兒子，就會覺得什麼都不是事兒了。

但是作爲一個學天文的媽媽，我在他的身上還能看見一件很奇特的東西，那就是130億年前的宇宙，你相信嗎？

他的身體裏和我們一樣，由很多種元素構成。

其中最主要的有6種，包括水裏面的氫和氧、有機物裏的碳、牙齒和骨骼裏的鈣，以及蛋白質裏面的氮，還有給我們細胞供能的磷。

別看我的兒子只有2歲，可是他身體裏的這些元素。

其實已經在宇宙的時空裏穿越了百億年的時間。是不是覺得我在講一個科幻小說？

恆星產生了所有元素

故事要從上個世紀40年代開始講起，那時候的人們只知道大爆炸產生了氫、氦和鋰，對於其他元素從何而來一無所知。

這個時候一個叫弗雷德·霍伊爾的英國天文學家站了出來，他說：“是恆星產生了所有元素。”

他發表了一篇文章，但是在學術界並沒有引起多大的關注。

於是他找來了三個非常厲害的幫手，這四個科學家努力了好幾年的時間。

終於在1957年的時候，發表了一篇重要的文章，他們給出了一套完整的恆星如何合成元素的理論。

恆星的內部就是一個高溫、高壓的宇宙熔爐，我們在元素週期表上所能看到所有的元素都是在這裏產生的。

別看這篇文章沒有抓人眼球的標題，也不是發表在Nature上，卻贏得了諾貝爾物理學獎。

雖然很可惜得獎的不是霍伊爾，但是他非主流的觀點確實刷新了我們對於宇宙起源的認知。

所以現在我們知道了，恆星裏的宇宙熔爐從130億前年就開始生產各種各樣的化學元素。

那這麼多的元素究竟是如何穿越了百億年，最後來到太陽系進入我們的身體中呢？

我們來看一段視頻。大約在137億年前，“砰”的一聲，宇宙大爆炸了。

宇宙爆炸大約3分鐘的時間產生了大量的氫、一些氦和極其微量的鋰。

這鍋大爆炸“濃湯”開始冷卻，冷卻大概到2億年的時候，宇宙裏出現了第一代恆星，它們開始製造新的化學元素。

這些恆星非常明亮而龐大，它們用極其壯烈的方式——超新星，結束了自己短暫的一生。

而它們所生產的這些化學元素被噴射到四面八方，並且遺傳給了下一代恆星。

就是這樣，一代又一代的恆星，可謂前仆後繼，使得我們宇宙當中化學元素的種類和數量不斷地增加。

直到有一天，恰好能夠形成太陽系的生命了，我們就出現了。

正是因爲這樣，纔有了《魔法爐》裏那段十分經典的獨白：“爲了我們能夠活着，數十億、數百億乃至數千億的恆星死去了。

我們血液裏的鐵、我們骨骼裏的鈣、我們每一次呼吸的氧，所有這些都是從地球誕生很久之前的星星的熔爐裏煉製出來的。”

這是一張大家都很熟悉的元素週期表，有沒有人一看到它就覺得頭大呢？

天文學家非常人性化，他們發明了一張特別的元素週期表，我們把所有比氦重的元素全部稱爲金屬。

注意是所有比氦重的元素，不僅僅是我們日常概念中的金屬，這些金屬元素的總和，就叫作金屬含量。

隨着宇宙不斷地變老，金屬含量這個“雪球”也越滾越大，每一代新誕生的恆星，它身體裏的金屬含量都會比它的祖先上一代稍微多一點點。

一直到今天，這些“小鮮肉”恆星們，它們已經繼承了成千上萬代恆星的遺產，所以它們體內的金屬含量已經是130億年前老祖宗的200萬倍。

如果有一天你恰巧碰到一個金屬含量很低的恆星，那麼恭喜，你看到了宇宙的極早期。

我想問大家一個問題，你們覺得我們能看到最早的恆星嗎？

由於限於我們現在的觀測能力，第一代恆星對我們來說，就像黃帝堯舜一樣，只是一個傳說。

而我們現在能夠直接觀測到的最古老的恆星，其實是它們的直系後代，這些恆星還來不及攢多少金屬，所以我們叫貧金屬星。

別看這個名字不怎麼樣，但是它們對於宇宙演化的意義可一點都不“貧”。

如果說現在的宇宙有100歲，這些貧金屬星出生的時候，宇宙還沒有上學，所以在它們的身體裏隱藏了許多宇宙“嬰幼兒時期”的重要信息。

這也是爲什麼天文學家親切地稱它們爲“宇宙化石”。

關於我們人類生命元素的起源還有很多的疑問，比如說我們水裏的鐵、骨骼裏的鈣。

第一次產生在宇宙是什麼時候？

人類生命元素起源

宇宙早期的化學成分跟今天的我們之間，是不是有相似的地方？提取這些貧金屬星的化學成分就成爲我們獲得答案的唯一途徑。

如果現在讓你去提取一顆恆星的化學成分，你打算怎麼做呢？

顯然我們不能把星星搬回實驗室或者辦公室來研究，所以天文學家要用望遠鏡來觀察它們。

一說到觀星，天文愛好者應該激動了，每個人的腦海裏都會出現各種美輪美奐的星空。

不過我眼中的星星跟大家想象的星空都不一樣，這就是我看到的星星，這其實是一條二維的恆星光譜。

你們看到的橫向的每一層是我們眼睛中所能看到的不同顏色的星光。

而這些豎線則是炙熱的星光穿過較冷的外層大氣時，在特定的波長產生的吸收。

也就是說，這每一條暗線，都是某一個元素在星光裏給我們留下的特定信息。

給大家看一張圖，是不是二維光譜和這個圖有幾分相似呢？

這個圖是人類的基因圖譜。所以說恆星光譜隱藏了恆星的基因一點都不爲過，可是我們該怎麼來提取這些基因呢？

這就要用到天文研究上更常見的一維光譜了。

看到這個光譜大家有什麼感覺？

很單調，甚至有點密集恐懼的味道。

不過我很負責任地告訴你們，這已經是我找到最好看的一條一維光譜了。

千萬別小看它，它的作用非常的大。

我們通過測量這個裏面譜線的強度，不僅可以知道這顆恆星製造了哪些元素，製造了多少。

通過結合它外層大氣的情況，我們甚至可以知道這顆恆星的年齡、體重、出生地。

以及最近是不是和附近的恆星發生過激烈的衝突。所以說，恆星光譜是我們刺探恆星的祕密，提取行星DNA的一大神器。

我還記得第一次跟我的導師討論研究課題的時候，他給了我兩條光譜讓我選，你是要做和太陽差不多的年輕恆星呢？還是要去研究貧金屬的古老恆星？

我選了貧金屬星，而且當時我對我自己這個決定非常滿意。

我很好奇這些古老的星星究竟隱藏了多少宇宙早期的祕密。

還有一個很重要的原因，因爲我知道恆星光譜分析當中，最耗時費力、最容易讓人崩潰的就是測量譜線。

貧金屬星的光譜裏線這麼少，我可以省掉很多測量譜線的時間。

不過很快我發現我的如意算盤打錯了，因爲像太陽這樣年輕的恆星很好找，但是貧金金屬的古老恆星非常難求。到底有多難找？我帶給你們看看。

比如在太陽附近隨便劃拉一把，能找到這麼多的恆星。

可是藍色的全部都是年輕的恆星，只有紅色的纔是我要找的貧金屬星。 

紅色在哪裏？

只有這些，我第一次知道的時候，也是我第一次切身體會到什麼叫作“整個人都不好了”！

不過我也還算走運，遇到了一個很得力的助手，就是我們國家設計並且建造的郭守敬望遠鏡。

它是一個不折不扣的觀星能手，它只要眨一下眼睛，就能拍下3000多顆恆星的光譜。

所以，它花了5年的時間，獲得了超過900萬條的天體光譜，我當然也趁機大撈了一把。

正是基於這一次貧金屬星橫財，我得到了我的第一個貧金屬星驚喜。

我發現了一顆極其古老的超級貧金屬星，這顆星的年齡差不多有130億歲，老的幾乎和宇宙不相上下。

在當時的恆星界，它的年老程度已經排進了世界前20。

可是很奇妙的是，我在這顆恆星的光譜裏面居然探測到了氫、碳、鈣、鐵，這些元素可都是對我們人體生命中非常重要的元素。

所以，我再一次意識到，我們身體裏面的這些元素，遠比我們整個人類的進化歷史要古老的太多太多。

因爲我研究了這些貧金屬星，它都很遙遠。

憂鬱的貧金屬星

如果我們仔細去觀察它的光譜，就需要用到世界上最大的望遠鏡。

大家猜一猜，在北半球最適合天文觀測的地方在哪裏？

對，就是在夏威夷。

說到夏威夷你們會想到什麼？

陽光、沙灘、海浪、搖曳的草裙舞，我第一次去觀測的時候也是帶着這樣的憧憬出發的。

不過當我從大本營下車的時候，我驚呆了！

我是不是到了一個假的夏威夷？

於是我想我可能還是做一個安靜的天文學家好了。

通常我們需要在剛纔這個海拔2800米的大本營適應一到兩個晚上，然後就可以開赴4200米的莫納克亞山頂進行觀測了。

這個山頭上聚集了世界上許多高端、大氣、上檔次的望遠鏡，其中一個就是我最經常使用的昴星團望遠鏡。

這個望遠鏡的口徑有8米，可能這麼說你不會知道它有多大，請注意左下角，這兩個看不清的東西是兩輛SUV。

所以可以想象一下，這個望遠鏡是一個怎樣的龐然大物。

我們進行觀測的時候，通常會從當天的下午5點一直到第二天早上的7點，都在這個叫作“觀測室”的地方待着。

我們在這裏控制望遠鏡，挑選要觀測哪個星，並且檢查我們得到的觀測數據。

不要看這個房間似乎不怎麼豪華，它的價格可是高到讓你驚訝——每晚8萬美元。

我第一次去的時候也覺得特別新奇，這麼貴的地方我得好好轉一轉。

可是我發現了，我在房間裏溜達的時候，一位觀測助手老是盯着我看，我當時很納悶。

後來我一問才知道，頭一天晚上有一個美國小夥子，他也是第一次來觀測。

他很興奮，在海拔4200米的觀測室裏，他有一次突然很使勁地起立，導致他後半夜的觀測都是躺着完成的。

在這裏，我遇到了我第二個貧金屬星驚喜。

有一次觀測，碰到第二天的天氣不是特別好，看不見任何的星星，所以只能停止工作，開始聊天。

到了凌晨3點鐘，我感覺到了有點要尬聊的跡象。

一晚上8萬美元就這麼浪費了，實在是太可惜了，我們來玩一下前一天的光譜數據吧。

在分析過程當中，我發現有一條光譜有點問題。

大家注意看左下角6700埃的地方，這本來不應該有任何譜線。

我們進行了反覆地排查，最後證明這不是數據的錯誤，而是一條真實存在的、非常強的Li吸收線。

可能有人要問了，不就是探測到一個Li嗎，有必要那麼激動嗎？

Li元素對於我們人體來說，它是一個微量元素，但它也是非常重要的生命動力元素，它是唯一一種產生於宇宙大爆炸的金屬元素。

雖然說我們的恆星內部其實可以合成Li，但是恆星合成的Li壽命非常的短，幾乎不能夠存留多久。

所以說現在我們手機裏供能的Li和新能源汽車電池裏的Li，甚至是地球上最大Li礦的Li，全部都來自於大爆炸的最初3分鐘。

對於恆星而言，Li元素也是一個微量元素，所以通常我們在光譜當中，只能看見很弱的Li吸收線，或者是根本看不到。

而經典的理論和以往觀測數據也告訴我們說，尤其貧金屬星的Li含量極低。

所以這才解釋了，爲什麼我在貧金屬星光譜裏看到這麼強的Li吸收線會如此意外了。

在後來的一年半的時間裏面，我們又陸續找到了好幾顆這樣奇怪的貧金屬星。

這些傢伙的Li含量遠比正常值要高出幾十倍，甚至上百倍。

當我發現這個事實的時候，我的第一反應是我可以挑戰經典理論了。

可是有一個做理論的合作者告訴我說你別得意太早了，還有其他的可能性來解釋這些Li從哪裏來。

比如說這顆貧金屬星的邊上住了一個鄰居，它很喜歡收藏Li，貧金屬星靠近它的時候。

順便順走了一點；或者是有一顆帶了很多Li的小天體，恰巧經過這顆貧金屬星，被它一口吃進了肚子裏。

我帶着非常忐忑的心情，把我所有能用的數據翻了一個底朝天，不過結果很好，沒有任何證據支持他們所說的這些過程。

這下我很高興，因爲我終於可以給觀測學家制造一點麻煩了。

很快，我們的發現被Science News報道了，爲此我還高興了好幾天。

我以前總是開玩笑說，這些貧金屬星都是一些憂鬱的小星星，因爲它們所缺乏的Li元素，不僅可以造電池，還是一種抑制抑鬱症和緩解情緒的主要藥物成分。

現在這些貧金屬星突然得到了這麼大一批Li，它們的心情會好多了嗎？

我不知道，但是我能確定理論學家該鬱悶一陣子了。

我和貧金屬星相伴已經有十年了，最開始的時候我給自己定了一個小目標：我處理一兩百顆恆星就可以了。

但是十年下來，我處理了近千萬顆恆星的數據，測量了上億條譜線的強度。

今天我知道了，即使在最古老的恆星當中，我們也能探測到對於人類生命來說非常重要的氫、氦、碳、氮、氧、鈣、鐵、鋰等等元素。

而我們之前一直以爲只能在地球上合成的磷，最近幾年也在近百億歲的古老恆星當中被發現了。

所以我仍然很好奇，我們的宇宙究竟在什麼時候達成了第一次化學上的成熟，形成了生命？

爲什麼總有人說，只能在像太陽這樣的年輕恆星附近才能發現有生命的行星系統？

會不會在宇宙的極早期就已經形成了我們所不知道的最早的生命呢？

當然，所有這些謎團都需要更多的貧金屬星來幫我們解答。

而支持我在這條通往130億年前的宇宙道路上繼續走下去的。

還有一點，就是我一直相信，這些看似不起眼的年老的小星星，一定會在未來的某個時間帶給我出乎意料的新驚喜。