从零制作一个苹果派，需要什么？
小麦、苹果、调料，还有烤箱的高温？
构成它们的原子从何而来？
除了氢，它们都产生于恒星。恒星是宇宙厨房，氢原子在那里被烹饪成更重的原子。恒星由星际气体和尘埃云凝成。氢是那些云团的主要组成部分，起源于大爆炸。
卡尔·萨根在《宇宙》中写道：“如果你真的想从头开始做一个苹果派，首先得创造宇宙。”
宇宙里的一切物质都是恒久存在的，根据质能守恒定律我们知道，构成生命的原子也先于生命存在，它们的分裂来自宇宙大爆炸前的整体，它们的漂流来自宇宙间的物质交换，以此为前提，我们的左手和右手甚至都不是来自同一颗恒星。
对生命的探索沿着原子向前漫溯，从恒星开始。
本文出处：《太阳、地球、生命的起源》，作者：［法］米里埃尔·加尔戈 等，译者：田丰 等，版本：后浪丨四川科学技术出版社 2025年3月
本书改编自特刊书《从太阳到生命：地球生命起源编年史》，由二十多位国际专家合著，国内权威学者团队合译，是目前国内外天体生物学领域的经典之作。作者以追溯地球生命的起源为主线，将各学科领域近年来相关的研究成果整合在一起，从天体生物学视角重新审视了早期生命的起源这一古老的话题，按时间顺序讲述了使得地球孕育出生命的14个重大事件：太阳诞生、地球形成、晚期重轰击、最早生命形式的出现……阅读本书，读者将依次化身为天文学家、地质学家、化学家、生物化学家、生物学家，重构从45.7亿年前太阳系形成之初至5.4亿年前的寒武纪大爆发这段时期的地球起源和地球生命诞生的故事。
太阳和行星的形成
太阳系原行星盘的早期演化
在冬季晴朗的夜晚，当你身处乡村，仰望星空，波澜壮阔、明暗相间的银河出现在你的现野中。较亮的区域当然就是恒星和发光的星云，比如著名的猎户大星云；较暗的区域则是星际云 （interstellar cloud） 及其中的微小尘埃颗粒 （尘埃的直径最大也就几百微米） ，它们遮挡住了背景的恒星，使星空变暗。实际上，这些星际云主要由透明的分子气体组成：氢分子 （H2，由两个氢原子组成。氢是宇宙中最简单、含量最丰富的元素） 和微量的复杂分子 （主要是碳基分子，天文学家利用射电望远镜可以观测到这些复杂分子的光谱） 。因此，如今我们也把星际云称为“分子云”。只需借助简单的双简望远镜，你就有可能观测到纵橫交错的星云及其周围的深色物质。这些深色物质也是由尘埃颗粒组成的，被前景或背景光源照亮 [例如马头星云（Horsehead Nebula）中的深色物质］ 。然而，亚毫米到厘米级的分子 （特别是CO） 射电谱线研究表明，被照亮的物质仅占分子云总质量的一小部分。分子云的空间分布范围远超肉眼或望远镜在可见光波段 （0.4~0.7微米） 所观测到的范围。
△ 不同波段下的猎户座分子云 a.12C分子谱线；b.可见光波段
事实上，所有亮星云都是恒星诞生的摇篮。在我们的眼皮底下，大量的恒星不断地从分子云中形成。就像一支雪茄，星云状物质相当于雪茄点燃的一端，它正随着时间的推移缓慢地燃烧。引力 （gravitation） 是宇宙的基本力之一，在恒星的形成过程中起了关键作用。它使分子云中的尘埃和气体发生坍缩，在仅仅几十万到几百万年内就形成了含有成千上万颗恒星的“星协”。其中最大的恒星的质量可达100M⊙ （M⊙为天文学中的质量单位，指太阳质量） ；而最小的恒星甚至不到0.1M⊙ ［如褐矮星（brown dwarf），其内部永远不会发生热核反应］ 。
通过对猎户大星云等亮星云的观测，我们可以对照亮星云的恒星进行分类，主要的划分依据是恒星的光度和温度。这种分类方法于20世纪初被首次提出，即赫罗图，它是天文学上经典的恒星的光谱类型与光度的关系图。基于恒星演化模型，我们可以利用赫罗图推断恒星的质量和年龄，并预测恒星未来的演化形态。例如，猎户大星云中亮度最高、质量最大 （质量最大可达45M⊙） 的4颗恒星的年龄在2~3Ma （Ma为时间单位，表示百万年，即1000000年） 。
根据哈勃望远镜的成像，猎户大星云中的绝大部分恒星的周围都有一个围绕恒星旋转的星周盘，其延伸范围是太阳系的好几倍。星周盘的成分与分子云的类似，也是由气体和尘埃组成。
△ 著名的超新星遗迹：蟹状星云（Crab Nebula）
从分子云坍缩到形成原太阳，仅需几万年时间。之后的几百万年里 （不超过10Ma） ，尘埃开始凝结，与此同时，气体在盘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 （太阳系形成伊始产生的碎片） 。再经过更长的时间 （太阳形成100Ma 后） ，原行星盘中的其他固体物质逐渐形成岩质行星 （比如水星、金星、地球和火星） 。
以上这些行星的形成是发生在距今多少年前呢？放射性定年法为此提供了很好的依据，使我们可以精确地测定最古老陨石—碳质球粒陨石的年龄。其中，最著名的是1968年坠落在墨西哥阿连德 （Allende） 村的一颗重达250t的陨石。它的测定年龄可以精确到百万年，即（4568.5±0.5）Ma。一般认为这个年龄就是太阳系的年龄。
关于太阳系起源的悖论
所有恒星都源自分子云核部气体尘埃的大规模凝聚。这些分子云寒冷且致密 （温度10~50K） 并缓慢自转着。分子云的凝聚 （也叫作原恒星的凝聚） 现象可以体现在分子云结构上，它几乎完全处于引力平衡态：如果没有受到外部扰动，分子云是不会发生坍缩的。但是进一步的观测，尤其是分子气体谱线的多普勒效应显示，原恒星在刚形成的10000年内就发生了坍缩，并形成一个巨大的原恒星包层。包层可延展到10000个天文单位 （天文单位记为AU，1AU=地球到太阳的平均距离≈1.5x108km） ，其内部孕育着原恒星的恒星胎。因此，原恒星实际上由包层和恒星胎构成。迄今为止，虽然引发分子云坍缩的机制还不甚明了 （可能有多种原因） ，但存在着各种理论假说，尤其是大质量恒星附近。目前最流行的假说认为，分子云发生坍缩可能是受到字宙冲击波的影响，如紫外线辐射与分子云气体相互作用产生的冲击波，或者超新星爆发产生的冲击波。
△ 猎户座大星云中环绕恒星的星周盘
坍缩过程一旦开始就会持续进行。包层核心坍缩速度更快。密度也更高。包层外侧也在旋转 （旋转是分子云本身自带的，伴随着星系自转、内部扰动等运动） ，而且越往内部，旋转角速度越大。自然而然地，物质会逐渐落到中心，形成一个扁平的结构，而包层的残余物质像雨点般散落在远离中心的地方。新形成的这个盘在恒星的形成中扮演着关键角色。
如今，我们知道该盘的存在可以用来解释科学家所观测到的早期原恒星因复杂的磁场作用所产生的壮丽景观，即恒星质量通过星风或者喷流的形式损失，且两者的喷射方向相反 （因为方向的原因，也称之为双极喷流） 。这种喷流现象在天文学上至关重要，于1980年首次被观测到。喷流现象在所有波段均可被观测到，并且可以穿过分子云延伸至50000AU甚至更远 （最远可达一光年） 。
△ 恒星形成时的壮观景象：双极喷流（原恒星喷流）
原始的太阳并不是在赤道抛出物质，而是在两极；并且太阳的旋转速度不足以产生巨大的离心力来抵抗太阳的引力而在赤道上抛出物质。恰恰相反，类太阳恒星是通过吸积盘上物质而形成的。缓慢坍缩的包层内形成了一个盘，其中盘上物质受引力作用从包层边缘向中心的恒星胚移动。更确切地说，根据光谱的多普勒效应，盘上的气体和尘埃物质从盘内逐渐落到中心区域的原恒星上，使得原恒星不断长大，直到形成独立的恒星，我们把这一过程称作吸积 （注意，行星学家和地质学家所说的“吸积”含义不同，地质学家口中的吸积主要是指“增生”，用来描述后来原行星盘中的物质经过聚集增生形成行星的过程） 。但根据观测结果，我们所看到的恒星喷发出来的物质 （从大尺度上看） 实际上仅占恒星吸积物质总量的10%~30%。
由此可看出，恒星的形成过程存在矛盾。恒星一边吸积物质增加质量，一边又向外抛射物质，即我们看到的吸积-喷流现象。我们很难从直接观测中认清这一现象的物理本质，需要借助间接分析手段来寻找答案。
△ “猫眼星云”（NGC 6543）
另一个问题是恒星形成过程中的“角动量难题”。恒星的角动量必须减小才能使恒星胎通过吸积逐渐增长，否则，恒星自转会越来越快，离心力也越来越大，会阻止恒星吸积物质。喷流可以向外喷出物质，带走恒星的部分角动量，但这并不意味着盘上的部分物质也必须向外 （即吸积的反方向） 运动。这一问题目前还没有定论，因为此过程极其复杂，特别是如果我们将行星的形成过程考虑在内。同样，我们要想了解盘上物质是如何转移为喷流时，将不可避免地涉及磁场的作用。
尽管吸积理论还有待完善，但据我们观察，吸积率大约为每100ka （ka为时间单位，表示千年，即1000年） 吸积1M⊙，这表明从恒星胎到形成像太阳一样的真正恒星是一个迅速转变的过程。而星周盘存在的时间会更长些，需要经过更长时间的演化才能孕育出行星。行星的形成则会降低恒星的吸积率 （因为盘上的物质变少了） ，并且使恒星逐渐不再向两极抛射物质。
内容来源丨《太阳、地球、生命的起源》
策划&编辑丨后浪科学
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