與宇宙相比，地球與人類是如此的渺小。在宇宙經歷大爆炸之後，科學家們發現宇宙處於加速膨脹的狀態，宇宙當中可能含有大量的暗能量。暗能量是什麼？宇宙加速膨脹會導致什麼結果？太陽系最後也會在膨脹中化為烏有嗎？人類會隨之而灰飛煙滅嗎……科學家們是如何探測和研究神秘而遙遠的宇宙的？
出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容為中國科學院國家天文臺副研究員李海寧演講實錄：
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秘密，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。
但是作為一個學天文的媽媽，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？
他的身體裡和我們一樣，由很多種元素構成。
其中最主要的有6種，包括水裡面的氫和氧、有機物裡的碳、牙齒和骨骼裡的鈣，以及蛋白質裡面的氮，還有給我們細胞供能的磷。
別看我的兒子只有2歲，可是他身體裡的這些元素。
其實已經在宇宙的時空裡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，我們在元素周期表上所能看到所有的元素都是在這裡產生的。
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，恆星裡的宇宙熔爐從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？
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，宇宙裡出現了第一代恆星，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，可謂前僕後繼，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。
正是因為這樣，才有了《魔法爐》裡那段十分經典的獨白：「為了我們能夠活著，數十億、數百億乃至數千億的恆星死去了。我們血液裡的鐵、我們骨骼裡的鈣、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裡煉製出來的。」
這是一張大家都很熟悉的元素周期表，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周期表，我們把所有比氦重的元素全部稱為金屬。
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。
隨著宇宙不斷地變老，金屬含量這個「雪球」也越滾越大，每一代新誕生的恆星，它身體裡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，所以在它們的身體裡隱藏了許多宇宙「嬰幼兒時期」的重要信息。
這也是為什麼天文學家親切地稱它們為「宇宙化石」。
關於我們人類生命元素的起源還有很多的疑問，比如說我們水裡的鐵、骨骼裡的鈣。
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為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，每個人的腦海裡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像的星空都不一樣，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裡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為過，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。
我們通過測量這個裡面譜線的強度，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秘密，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秘密。
還有一個很重要的原因，因為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。
貧金屬星的光譜裡線這麼少，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，因為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，只有紅色的才是我要找的貧金屬星。
紅色在哪裡？
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裡面居然探測到了氫、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，我們身體裡面的這些元素，遠比我們整個人類的進化歷史要古老的太多太多。
因為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裡？
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著這樣的憧憬出發的。
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。
通常我們需要在剛才這個海拔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。
所以可以想像一下，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」的地方待著。
我們在這裡控制望遠鏡，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，我在房間裡溜達的時候，一位觀測助手老是盯著我看，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米的觀測室裡，他有一次突然很使勁地起立，導致他後半夜的觀測都是躺著完成的。
在這裡，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裡供能的Li和新能源汽車電池裡的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，為什麼我在貧金屬星光譜裡看到這麼強的Li吸收線會如此意外了。
在後來的一年半的時間裡面，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從哪裡來。
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裡。
我帶著非常忐忑的心情，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，因為我終於可以給觀測學家製造一點麻煩了。
很快，我們的發現被Science News報導了，為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，因為它們所缺乏的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。
而我們之前一直以為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？
為什麼總有人說，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。
「格致論道」，原稱「SELF格致論道」，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以「格物致知」的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。獲取更多信息。本文出品自「格致論道講壇」公眾號（SELFtalks），轉載請註明公眾號出處，未經授權不得轉載。