從零制作一個蘋果派，需要什么？

小麥、蘋果、調料，還有烤箱的高溫？

構成它們的原子從何而來？

除了氫，它們都產生于恒星。恒星是宇宙廚房，氫原子在那里被烹飪成更重的原子。恒星由星際氣體和塵埃云凝成。氫是那些云團的主要組成部分，起源于大爆炸。

卡爾·薩根在《宇宙》中寫道：“如果你真的想從頭開始做一個蘋果派，首先得創造宇宙。”

宇宙里的一切物質都是恒久存在的，根據質能守恒定律我們知道，構成生命的原子也先于生命存在，它們的分裂來自宇宙大爆炸前的整體，它們的漂流來自宇宙間的物質交換，以此為前提，我們的左手和右手甚至都不是來自同一顆恒星。

對生命的探索沿著原子向前漫溯，從恒星開始。

本文出處：《太陽、地球、生命的起源》，作者：［法］米里埃爾·加爾戈 等，譯者：田豐 等，版本：后浪丨四川科學技術出版社 2025年3月

本書改編自特刊書《從太陽到生命：地球生命起源編年史》，由二十多位國際專家合著，國內權威學者團隊合譯，是目前國內外天體生物學領域的經典之作。作者以追溯地球生命的起源為主線，將各學科領域近年來相關的研究成果整合在一起，從天體生物學視角重新審視了早期生命的起源這一古老的話題，按時間順序講述了使得地球孕育出生命的14個重大事件：太陽誕生、地球形成、晚期重轟擊、最早生命形式的出現……閱讀本書，讀者將依次化身為天文學家、地質學家、化學家、生物化學家、生物學家，重構從45.7億年前太陽系形成之初至5.4億年前的寒武紀大爆發這段時期的地球起源和地球生命誕生的故事。

太陽和行星的形成

太陽系原行星盤的早期演化

在冬季晴朗的夜晚，當你身處鄉村，仰望星空，波瀾壯闊、明暗相間的銀河出現在你的現野中。較亮的區域當然就是恒星和發光的星云，比如著名的獵戶大星云；較暗的區域則是星際云（interstellar cloud）及其中的微小塵埃顆粒（塵埃的直徑最大也就幾百微米），它們遮擋住了背景的恒星，使星空變暗。實際上，這些星際云主要由透明的分子氣體組成：氫分子（H2，由兩個氫原子組成。氫是宇宙中最簡單、含量最豐富的元素）和微量的復雜分子（主要是碳基分子，天文學家利用射電望遠鏡可以觀測到這些復雜分子的光譜）。因此，如今我們也把星際云稱為“分子云”。只需借助簡單的雙簡望遠鏡，你就有可能觀測到縱橫交錯的星云及其周圍的深色物質。這些深色物質也是由塵埃顆粒組成的，被前景或背景光源照亮[例如馬頭星云（Horsehead Nebula）中的深色物質］。然而，亞毫米到厘米級的分子（特別是CO）射電譜線研究表明，被照亮的物質僅占分子云總質量的一小部分。分子云的空間分布范圍遠超肉眼或望遠鏡在可見光波段（0.4~0.7微米）所觀測到的范圍。

△ 不同波段下的獵戶座分子云 a.12C分子譜線；b.可見光波段

事實上，所有亮星云都是恒星誕生的搖籃。在我們的眼皮底下，大量的恒星不斷地從分子云中形成。就像一支雪茄，星云狀物質相當于雪茄點燃的一端，它正隨著時間的推移緩慢地燃燒。引力（gravitation）是宇宙的基本力之一，在恒星的形成過程中起了關鍵作用。它使分子云中的塵埃和氣體發生坍縮，在僅僅幾十萬到幾百萬年內就形成了含有成千上萬顆恒星的“星協”。其中最大的恒星的質量可達100M⊙（M⊙為天文學中的質量單位，指太陽質量）；而最小的恒星甚至不到0.1M⊙［如褐矮星（brown dwarf），其內部永遠不會發生熱核反應］。

通過對獵戶大星云等亮星云的觀測，我們可以對照亮星云的恒星進行分類，主要的劃分依據是恒星的光度和溫度。這種分類方法于20世紀初被首次提出，即赫羅圖，它是天文學上經典的恒星的光譜類型與光度的關系圖。基于恒星演化模型，我們可以利用赫羅圖推斷恒星的質量和年齡，并預測恒星未來的演化形態。例如，獵戶大星云中亮度最高、質量最大（質量最大可達45M⊙）的4顆恒星的年齡在2~3Ma（Ma為時間單位，表示百萬年，即1000000年）。

根據哈勃望遠鏡的成像，獵戶大星云中的絕大部分恒星的周圍都有一個圍繞恒星旋轉的星周盤，其延伸范圍是太陽系的好幾倍。星周盤的成分與分子云的類似，也是由氣體和塵埃組成。

△ 著名的超新星遺跡：蟹狀星云（Crab Nebula）

從分子云坍縮到形成原太陽，僅需幾萬年時間。之后的幾百萬年里（不超過10Ma），塵埃開始凝結，與此同時，氣體在盤的某些位置聚集形成了巨行星（比如木星、土星、天王星和海王星）和小行星（太陽系形成伊始產生的碎片）。再經過更長的時間（太陽形成100Ma 后），原行星盤中的其他固體物質逐漸形成巖質行星（比如水星、金星、地球和火星）。

以上這些行星的形成是發生在距今多少年前呢？放射性定年法為此提供了很好的依據，使我們可以精確地測定最古老隕石—碳質球粒隕石的年齡。其中，最著名的是1968年墜落在墨西哥阿連德（Allende）村的一顆重達250t的隕石。它的測定年齡可以精確到百萬年，即（4568.5±0.5）Ma。一般認為這個年齡就是太陽系的年齡。

關于太陽系起源的悖論

所有恒星都源自分子云核部氣體塵埃的大規模凝聚。這些分子云寒冷且致密（溫度10~50K）并緩慢自轉著。分子云的凝聚（也叫作原恒星的凝聚）現象可以體現在分子云結構上，它幾乎完全處于引力平衡態：如果沒有受到外部擾動，分子云是不會發生坍縮的。但是進一步的觀測，尤其是分子氣體譜線的多普勒效應顯示，原恒星在剛形成的10000年內就發生了坍縮，并形成一個巨大的原恒星包層。包層可延展到10000個天文單位（天文單位記為AU，1AU=地球到太陽的平均距離≈1.5x108km），其內部孕育著原恒星的恒星胎。因此，原恒星實際上由包層和恒星胎構成。迄今為止，雖然引發分子云坍縮的機制還不甚明了（可能有多種原因），但存在著各種理論假說，尤其是大質量恒星附近。目前最流行的假說認為，分子云發生坍縮可能是受到字宙沖擊波的影響，如紫外線輻射與分子云氣體相互作用產生的沖擊波，或者超新星爆發產生的沖擊波。

△ 獵戶座大星云中環繞恒星的星周盤

坍縮過程一旦開始就會持續進行。包層核心坍縮速度更快。密度也更高。包層外側也在旋轉（旋轉是分子云本身自帶的，伴隨著星系自轉、內部擾動等運動），而且越往內部，旋轉角速度越大。自然而然地，物質會逐漸落到中心，形成一個扁平的結構，而包層的殘余物質像雨點般散落在遠離中心的地方。新形成的這個盤在恒星的形成中扮演著關鍵角色。

如今，我們知道該盤的存在可以用來解釋科學家所觀測到的早期原恒星因復雜的磁場作用所產生的壯麗景觀，即恒星質量通過星風或者噴流的形式損失，且兩者的噴射方向相反（因為方向的原因，也稱之為雙極噴流）。這種噴流現象在天文學上至關重要，于1980年首次被觀測到。噴流現象在所有波段均可被觀測到，并且可以穿過分子云延伸至50000AU甚至更遠（最遠可達一光年）。

△ 恒星形成時的壯觀景象：雙極噴流（原恒星噴流）

原始的太陽并不是在赤道拋出物質，而是在兩極；并且太陽的旋轉速度不足以產生巨大的離心力來抵抗太陽的引力而在赤道上拋出物質。恰恰相反，類太陽恒星是通過吸積盤上物質而形成的。緩慢坍縮的包層內形成了一個盤，其中盤上物質受引力作用從包層邊緣向中心的恒星胚移動。更確切地說，根據光譜的多普勒效應，盤上的氣體和塵埃物質從盤內逐漸落到中心區域的原恒星上，使得原恒星不斷長大，直到形成獨立的恒星，我們把這一過程稱作吸積（注意，行星學家和地質學家所說的“吸積”含義不同，地質學家口中的吸積主要是指“增生”，用來描述后來原行星盤中的物質經過聚集增生形成行星的過程）。但根據觀測結果，我們所看到的恒星噴發出來的物質（從大尺度上看）實際上僅占恒星吸積物質總量的10%~30%。

由此可看出，恒星的形成過程存在矛盾。恒星一邊吸積物質增加質量，一邊又向外拋射物質，即我們看到的吸積-噴流現象。我們很難從直接觀測中認清這一現象的物理本質，需要借助間接分析手段來尋找答案。

△ “貓眼星云”（NGC 6543）

另一個問題是恒星形成過程中的“角動量難題”。恒星的角動量必須減小才能使恒星胎通過吸積逐漸增長，否則，恒星自轉會越來越快，離心力也越來越大，會阻止恒星吸積物質。噴流可以向外噴出物質，帶走恒星的部分角動量，但這并不意味著盤上的部分物質也必須向外（即吸積的反方向）運動。這一問題目前還沒有定論，因為此過程極其復雜，特別是如果我們將行星的形成過程考慮在內。同樣，我們要想了解盤上物質是如何轉移為噴流時，將不可避免地涉及磁場的作用。

盡管吸積理論還有待完善，但據我們觀察，吸積率大約為每100ka（ka為時間單位，表示千年，即1000年）吸積1M⊙，這表明從恒星胎到形成像太陽一樣的真正恒星是一個迅速轉變的過程。而星周盤存在的時間會更長些，需要經過更長時間的演化才能孕育出行星。行星的形成則會降低恒星的吸積率（因為盤上的物質變少了），并且使恒星逐漸不再向兩極拋射物質。

內容來源丨《太陽、地球、生命的起源》

策劃&編輯丨后浪科學