[宇宙的奇跡]星星之死

制作電視紀(jì)錄片的時(shí)候，我們總是尋求各種視覺(jué)手段來(lái)呈現(xiàn)復(fù)雜的故事。拍攝《宇宙的奇跡》時(shí)，我們滿世界地尋找可以用來(lái)打比方或作為影片背景的地方，但在我看來(lái)，最成功的場(chǎng)景莫過(guò)于巴西里約熱內(nèi)盧中心區(qū)的一所廢棄監(jiān)獄。

這個(gè)建筑的外墻已經(jīng)差不多毀壞了，只留下一副磚骨架；所有的窗戶，如果曾經(jīng)有窗戶的話，也全部消失了。每一個(gè)牢房有20~30個(gè)混凝土澆筑的雙層床，相互緊緊挨著；以及一個(gè)小小的浴室，幾塊破爛的布條仍然搭在浴室入口處，以作為遮擋之用。牢房的墻壁是某種色彩斑斕的奇怪拼圖，妖嬈的少女和古怪的足球隊(duì)海報(bào)夾雜其間。

這地方有兩個(gè)讓我覺(jué)得很不舒服的特點(diǎn)：首先，你很難不讓自己想象被關(guān)在這里的感覺(jué)，因?yàn)閷?duì)于一個(gè)像里約熱內(nèi)盧這樣炎熱潮濕的城市，在一個(gè)鋼筋混凝土牢籠里被關(guān)個(gè)好幾年肯定不是一種享受。第二點(diǎn)則更直接，那就是這座監(jiān)獄現(xiàn)在正填滿了爆炸物。從牢房里往外看，明亮的外部世界發(fā)著強(qiáng)光，如恒星表面一樣壓迫著你，讓你幾乎很難同時(shí)看到黑暗的室內(nèi)。但那些光并不照進(jìn)來(lái)，它停留在外面的城市里。當(dāng)我小心翼翼地順著滿是坑洞的、看起來(lái)?yè)u搖欲墜的樓梯往下走時(shí)，我覺(jué)得好像我正在下降到一顆垂死恒星的致密內(nèi)核上一般。生命所必需的元素，就在這暴烈可怕的、遠(yuǎn)離光亮的地方合成。正是在這里，恒星從物質(zhì)消耗者變成了物質(zhì)生產(chǎn)者。

恒星都活在某種讓人窒息的平衡中。它們的引力在努力壓縮各自的大小，于是它們的溫度升高，直至氫原子克服了彼此之間的電磁斥力，通過(guò)核聚變反應(yīng)生成氦。這一過(guò)程釋放出能量，使恒星得以發(fā)光發(fā)熱，并因此抵消引力的作用。當(dāng)氫被耗盡時(shí)，向外的光壓消失了，引力又占了上風(fēng)，恒星的結(jié)構(gòu)被迫發(fā)生劇烈的變化。恒星迅速向內(nèi)坍縮，留下了一層氫和氦組成的外殼。隨著恒星的坍縮，恒星內(nèi)核的溫度迅速上升至1億攝氏度，并開啟了新的聚變反應(yīng)。在如此高的溫度下，氦原子也克服了彼此之間的電磁力，開始結(jié)合為新的元素——這些恒星開始以氦為燃料了。這一從氫聚變到氦聚變的轉(zhuǎn)變有兩個(gè)重要的效果：首先，恒星釋放的能量足以抵消掉自身的坍縮，于是再度穩(wěn)定下來(lái)并開始迅速膨脹。這是它的紅巨星階段的開始。其次，它開始合成對(duì)生命至關(guān)重要的元素。一開始，一對(duì)包含兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子的氦原子核，只能合成擁有4個(gè)質(zhì)子和4個(gè)中子的同位素鈹-8。這個(gè)鈹?shù)耐凰夭⒉环€(wěn)定，會(huì)很快衰變。但垂死的恒星會(huì)產(chǎn)生極高的溫度，比如在其內(nèi)核，溫度會(huì)超過(guò)1億攝氏度。這些原子核的存在時(shí)間已經(jīng)足夠讓它與第3個(gè)氦原子結(jié)合成一種重要的元素——碳-12。這就是宇宙中所有碳元素的由來(lái)：地球上所有生命中的碳原子都來(lái)自于垂死恒星的心臟。

氦燃燒階段并不以合成碳為終結(jié)，因?yàn)樵谶@一極其熾熱的階段，恒星內(nèi)部的環(huán)境使得氦核可以和新生成的碳核結(jié)合，從而生成另一種生命不可或缺的元素——氧。氧在我們呼吸的空氣中占21%。它也是水——生命之源——的必備成分，同時(shí)也是排在氫和氦之后的宇宙中最常見(jiàn)的元素。我們每個(gè)人每分鐘大概要吸入2.5克的氧，所以這里或許應(yīng)該著重提一下，這種生命不可或缺的氣體最初是在一個(gè)極其不適合生命生存的環(huán)境中被制造出來(lái)的。

恒星相比較于其漫長(zhǎng)的壽命來(lái)說(shuō)，能制造碳和氧的時(shí)間可謂是白駒過(guò)隙。在大約100萬(wàn)年后，恒星的氦也消耗殆盡，對(duì)于許多恒星來(lái)說(shuō)，發(fā)光的日子就到此為止了。對(duì)于一般尺寸的恒星，比如太陽(yáng)，充滿活力的歲月至此一去不復(fù)返。當(dāng)太陽(yáng)在大概100億年后到達(dá)這一階段時(shí)，它的引力已經(jīng)不足以進(jìn)一步壓縮內(nèi)核，以重啟聚變反應(yīng)了。這時(shí)，它會(huì)變得越來(lái)越不穩(wěn)定，內(nèi)部產(chǎn)生許多強(qiáng)烈的壓力點(diǎn)，直到最終將整個(gè)恒星外殼炸開，將珍貴的氧、碳、氫以及許多別的元素釋放到深空之中。在這一短暫的、大概不到數(shù)萬(wàn)年的時(shí)間內(nèi)，垂死的恒星會(huì)繪制出宇宙中最美麗的畫面之一：行星狀星云。

在宇宙之光的短暫演出結(jié)束后，這樣的恒星會(huì)收縮成一個(gè)比地球還小的小東西：白矮星。這就是數(shù)萬(wàn)億顆此類恒星的最終命運(yùn)。但對(duì)于像參宿四一樣的大質(zhì)量恒星來(lái)說(shuō)，故事遠(yuǎn)未結(jié)束。質(zhì)量是太陽(yáng)1.5倍的恒星會(huì)繼續(xù)開動(dòng)元素生產(chǎn)線。當(dāng)氦聚變結(jié)束之時(shí)，引力會(huì)進(jìn)一步壓縮恒星的內(nèi)核。這時(shí)，內(nèi)核的溫度再次上升，啟動(dòng)了宇宙第三輪元素生產(chǎn)線。當(dāng)內(nèi)核溫度上升到幾億攝氏度時(shí)，碳和氦結(jié)合生成氖（譯注：不同資料的說(shuō)法不一。有資料指出，恒星的質(zhì)量為太陽(yáng)質(zhì)量的９～10倍時(shí)才能引發(fā)碳的核聚變反應(yīng)），氖和氦結(jié)合生成鎂，兩個(gè)碳原子又結(jié)合生成鈉。越來(lái)越多的元素成為火爐里的原料，隨著溫度的升高，一個(gè)接一個(gè)地產(chǎn)生重元素。內(nèi)核進(jìn)一步收縮，溫度繼續(xù)升高，觸發(fā)了新一輪的聚變，將剛剛生成的元素組成的殼層留在外面。

合成了元素周期表上前25個(gè)元素之后，這個(gè)失控的生產(chǎn)線開始以硅為燃料，啟動(dòng)一系列復(fù)雜的反應(yīng)，以合成第26個(gè)元素——鐵。此時(shí)恒星的溫度已經(jīng)高達(dá)25億攝氏度，但不會(huì)繼續(xù)升高了。這時(shí)，原子核的穩(wěn)定性已經(jīng)到達(dá)了巔峰，無(wú)論怎么往鐵原子里塞質(zhì)子或中子，它也不會(huì)再釋放能量了。恒星最后的能合成鐵的階段只有幾天。在使勁榨干自己最后一點(diǎn)結(jié)合能來(lái)阻擋引力坍縮的過(guò)程中，恒星形成了一個(gè)幾乎完全由鐵構(gòu)成的內(nèi)核。聚合反應(yīng)到此就停下來(lái)了。當(dāng)恒星形成鐵核之后，留給它的時(shí)間短得只能以秒來(lái)計(jì)。引力獲得了完全的勝利，恒星在其自身重量下不可阻擋地坍縮，化作行星狀星云。

當(dāng)我在鏡頭中離開這棟監(jiān)獄時(shí)，某處的電鈕被按下，整棟建筑轟然坍塌，化為瓦礫。這毀滅只花了數(shù)秒的時(shí)間——和參宿四那樣的紅巨星轟然毀滅所需要的時(shí)間差不多。

【如同一顆正在死亡的恒星一樣，一棟建筑的結(jié)構(gòu)和它賴以屹立的基礎(chǔ)會(huì)隨著時(shí)間的推移而變得越來(lái)越不穩(wěn)定。人們向這棟監(jiān)獄施以援手，讓它快一些毀滅，但一顆恒星在生命終結(jié)之時(shí)也會(huì)自己炸開，形成壯觀的行星狀星云。毀掉這棟監(jiān)獄只需要短短幾秒，這和紅巨星坍縮花去的時(shí)間差不多?！?/p>

以下圖片均為行星狀星云。

【這一合成影像拍攝的是螺旋星云。在地球上看來(lái)，這一行星狀星云像是個(gè)油炸圈餅。但最新的研究表明，它實(shí)際上是由兩個(gè)氣體盤組成的。
】

【葫蘆星云距離地球大約5000光年或4700萬(wàn)億千米。這張由哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝到的影像呈現(xiàn)了恒星噴射物質(zhì)時(shí)的景象?！?/p>

【MyCn18是一個(gè)年輕的行星狀星云，早在20世紀(jì)初就為人所知。然而，這張由哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在1996年1月拍攝的影像才第一次揭示了這個(gè)星云沙漏一樣的形狀以及錯(cuò)綜復(fù)雜的紋理?！?/p>

【“貓眼星云”這個(gè)名字或許對(duì)這個(gè)星云恰如其分（其正式編號(hào)是NGC 6543），它是人類發(fā)現(xiàn)的第一批行星狀星云之一，1786年由威廉·赫歇爾發(fā)現(xiàn)。它是我們?cè)谟钪嬷幸阎?、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的星云之一?！?/p>

【這張拍攝于1997年7月20日的影像呈現(xiàn)的是Mz3星云。Mz3一直被稱為“螞蟻星云”，因?yàn)樵诘厍蛏蟻?lái)看，它酷似一只螞蟻的腦袋和軀干。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，螞蟻的軀干似乎是由兩個(gè)熾熱的瓣組成的?！?/p>

【這一行星狀星云被稱為科胡特克 4-55或K4-55，以它的發(fā)現(xiàn)者、捷克天文學(xué)家盧博斯·科胡特克之名命名。它的不尋常之處在于其多層氣殼結(jié)構(gòu)。】

最稀罕的物質(zhì)

【位于加利福尼亞州的16-1金礦一度是美國(guó)淘金熱的中心，如今這里是少數(shù)幾個(gè)仍在開采的金礦之一。在這里和礦工們一塊淘金是個(gè)有意思的體驗(yàn)。當(dāng)我仔細(xì)觀察這些看起來(lái)稀松平常的石頭時(shí)，我可以隱約看到那熟悉的金黃色，顯示著這石頭里實(shí)際上藏著一塊黃金。】

元素周期表上前26個(gè)元素在恒星的核心區(qū)合成，并隨著恒星們不可阻擋的死亡散布到宇宙各處。但另外72個(gè)元素——其中有一些生命不可或缺的、或者我們認(rèn)為非常珍貴的元素——是從哪兒來(lái)的呢？如果它們不是在恒星中誕生的，又會(huì)來(lái)自哪里呢？

在美國(guó)加利福尼亞州西北部的一處偏僻的森林里，大山隱藏著一個(gè)秘密。這個(gè)秘密在僅僅一個(gè)世紀(jì)之前曾讓淘金者將這片安靜的松林作為最終目的地。盡管今天這里已經(jīng)頗為空曠，但在19世紀(jì)下半葉，這里曾是加利福尼亞淘金熱的中心區(qū)域。成百上千的人來(lái)到這里，有的帶著最簡(jiǎn)單的鐵鏟，有的帶著最先進(jìn)的掘礦技術(shù)，為了變得富有而在所不惜。淘出的黃金價(jià)值數(shù)億美元，這催生了世界大城市之一——舊金山。對(duì)黃金的瘋狂渴求如今已經(jīng)消退，但隱藏在環(huán)繞著塔霍湖的森林中的16-1金礦仍然是加利福尼亞州內(nèi)仍在開采的少數(shù)幾個(gè)金礦之一。

近100年來(lái)，礦工一直在16-1金礦中工作。它是世界上最多產(chǎn)的金礦之一，這得益于其獨(dú)特的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。加利福尼亞的獨(dú)特之處之一在于，它正好位于北美板塊和環(huán)太平洋板塊的交界處。

整個(gè)區(qū)域位于一個(gè)巨大的斷裂帶上，而山脈中有數(shù)千個(gè)稍小的斷層。當(dāng)你走入金礦時(shí)，實(shí)際上不過(guò)是在坡度平緩的隧道中沿著水平方向朝大山內(nèi)部走去。這時(shí)你會(huì)看到到處都是斷層。它們看來(lái)就是巖石和石英之間的肉眼可見(jiàn)的界限——那就是許多迷你斷層組成的迷宮。在1.4億年前的侏羅紀(jì)，恐龍還在金礦上方漫步，熱水帶著寶藏從這里涌出，并流過(guò)這些巖石。這些熱水將從地底深處的黃金帶上來(lái)，并卡在石英的縫 隙處。在過(guò)去的100年中，礦工就順著石英的縫隙尋找 微微發(fā)光的黃金。

金礦的石英里鑲嵌的黃金的純度非同尋常， 有時(shí)可高達(dá)85%。這些厚厚的金屑在石縫中蜿蜒，在陽(yáng)光下發(fā)出微弱的、讓人熟悉的金黃色輝光。其余的成分中，有14.5%是銀，以及微量的重金屬。這一帶區(qū)域的黃金幾乎是俯拾即是：在河床上隨便走走，就有可能撿到純金塊?？紤]到截至2010年，金價(jià)仍高達(dá)每 克30英鎊，不難理解為什么像這樣的金礦仍然沒(méi)有關(guān)閉。

如果在這里停下來(lái)，開始想想這一切，我們大概會(huì)感到有點(diǎn)奇怪：為什么我們賦予黃金如此高的價(jià)值呢？縱觀歷史，人們?yōu)榱双@得黃金可以說(shuō)是不顧一切，但想想看，黃金并不能拿來(lái)做什么非常有用的事 情。銅和鐵可以讓我們生存，但黃金幾乎全然無(wú)用?；ㄙM(fèi)了大量力氣開采出來(lái)的黃金，主要被裝飾在首飾 上。除了看起來(lái)閃閃發(fā)亮以外，黃金的唯一價(jià)值在于其極度地罕有，這使得黃金價(jià)格一直高不可及。人類 歷史上挖到的所有黃金—每一絲都能講述一個(gè)慘劇與狂喜、艱辛與暴富的故事—只能填滿3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)游泳池。

黃金之所以如此珍貴（3個(gè)游泳池相較于一個(gè)星球），正是因?yàn)樗鼈內(nèi)绱讼∪?；但它只是地球上許多極其稀缺的元素中的一種。 宇宙中有60多種比鐵重的元素。在它們之中，有的元素非常珍貴，比如金、銀和鉑；有的元素對(duì)于生命是不可或缺的，比如銅和鋅；有一些只是非常有用，比如鈾、錫和鉛。在質(zhì)量非常大的恒星的內(nèi)核中，通過(guò)一種叫“中子俘獲”的過(guò)程，恒星可以制造出輕于鉍——209（第83號(hào)元素）的元素，但這不足以創(chuàng)造出如今我們所見(jiàn)的這么大量的重元素。很簡(jiǎn)單，因?yàn)橛钪嬷羞€沒(méi)有過(guò)足夠多的超大質(zhì)量恒星。 能制造大量重元素的環(huán)境只存在于最罕有的天文事件之中。這些事件可是名副其實(shí)地稍縱即逝，因?yàn)閷?duì)于一個(gè)包含1000億顆恒星的星系而言，屬于制造大量重元素的極端環(huán)境的時(shí)間，平均每個(gè)世紀(jì)只有不到2分鐘。