宇宙如何使我們的生存成為可能？

僅通過觀察我們自己的身體，我們就可以了解很多有關宇宙歷史的知識。一個成年人就是一個非常複雜的系統，它由數萬億個細胞組成，大約有10^28個原子：原子是地球上所有物質的構建基塊。關於人類造物的科學故事，不僅使我們了解了地球生命的進化和歷史，而且也使我們了解了整個宇宙。

使我們得以存在的不僅僅是數十億年的生命存活、繁榮昌盛、充滿了地球上每一個可能的生態位，而是一個完整的宇宙，從上一代的恆星到古代星系的合併，再到大爆炸本身，甚至暗物質在使人類能夠在宇宙中生存方面扮演著極其重要的角色。人類在地球上誕生化了138億年

它不只是數十億年的生命生存，繁榮，並填補了每一個生態利基可能在我們的星球上，使我們存在，但整個宇宙。我們是如何成為什麼樣的故事需要各種各樣的宇宙前輩，從前幾代恆星到古代星系的合併，到大爆炸本身。即使是暗物質，在使人類能夠生存在這個宇宙中也起著極其重要的作用。人類花了138億年的時間才誕生於地球上，我們終於重新構造了關於如何到達這裡的宇宙故事。

圖註：人體組成，按原子序數和質量計。 0.1毫克或更高的水平代表人體中有56種元素，其中大多數具有已知的生物學功能。

在一個非常基本的層面上，我們可以簡單地通過觀察構成人體的微小成分（原子）來了解人類。 氧氣是人體中最豐富的元素，其次是碳、氫、氮和鈣。總而言之，元素周期表中至少有56種不同的元素構成典型人類的至少0.1毫克，而輕元素和重元素在人體的生物活動中均起著重要作用。

在過去20萬年左右的時間裡，人類已經在地球上行走，每一代現代人類都源於前一代。每個生物都是這樣工作的：它是從其父代有機體（或從多個父本）衍生而來的，遺傳物質（加上發生的任何突變）是從父代傳給孩子的。在地球上超過40億年的不間斷的生命線中，這是當今存在的每種生物的來源。

圖註：被稱為虹吸蟲的一類令人著迷的有機體本身就是一個小型動物的集合，它們共同作用於形成一個更大的殖民生物。這些生命形式跨越多細胞有機體和殖民生物之間的邊界，可能代表多細胞生命形式發展的中間進化階段。

但是，曾經存在的所有各種形式的生命，都依賴於人類所擁有的相同成分：相同的原子和相同的元素。它們都需要一個穩定的家園，在那裡它們可以組裝成可以自我繁殖和維持數十億年的生命形式：像地球這樣的巖石行星，圍繞著相對穩定的恆星，例如我們的太陽。無法保證像人類這樣的事物的進化是不可避免的，但是對於宇宙中每個與地球條件相似的星球，我們必須認識到這是可能的。

那麼問題是，在宇宙中如何發生一顆類似太陽的恆星，圍繞類似太陽的恆星生長，並具有生命所需的正確原料呢？您不能只說「宇宙是通過這種方式創造的」，因為這不是科學的工作原理。在科學中，如果您想知道有關宇宙的問題的答案，則必須詢問宇宙本身。我們這樣做的方式是通過提出假設，進行實驗，進行觀察並得出結論。

幸運的是，該方法在提供我們尋求的答案方面非常成功。

圖註：以我們的太陽系衡量，當今宇宙中元素的豐度。宇宙中排名前10位的元素依次是氫、氦、氧、碳、氮、氖、鎂、矽、鐵和硫。

我們需要的第一個成分是生命所需的元素：組成周期表的各種原子。當我們詳細查看地球和太陽系中的其他物體（包括掉落到地球上的隕石）時，我們可以確定哪些元素以哪種比例存在，其中包括生命所需的所有元素。

然後研究宇宙，包括：

• 大質量的恆星
• 超新星事件，
• 太陽般的小恆星，
• 像白矮星和中子星這樣的恆星殘留物，
• 宇宙射線，
• 甚至是大爆炸本身

我們可以確定每個元素的大部分來自何處。 因此，為了使人類能夠生存的宇宙，我們可以得出結論。

圖註：上面的這張圖詳細描述了元素周期表的元素及其來源。 鋰來自三種來源的混合物，但事實證明，一個特定的通道（經典新星）實際上可能負責那裡的所有鋰（〜80％+）。

也許令人驚訝，答案是所有這些。只是，您無法立即獲得它們。

如果我們的宇宙始於熾熱的大爆炸，那麼產生的唯一元素就是氫、氦和一小撮鋰（元素3）。沒有其他的。 原因很簡單，但有局限性：在最早、最熱的階段，您擁有大量高能的質子和中子，但是您還有足夠的光子或光粒子，以至於任何時候質子和中子結合在一起，光就進入了 並將它們分開。

只有宇宙膨脹並充分冷卻後，質子和中子才能結合在一起形成較重的元素，這需要時間。但是到那時，物質的密度和能量已經大大降低，以至於排斥兩個氦原子的電力是如此之強，粒子無法克服它。我們可以在「大爆炸」中製作最輕的元素，但不能製作更重的元素。對於這些，我們必須等待很長的時間：要形成恆星。

宇宙需要足夠甚至數億年的時間才能冷卻下來，萬有引力將足夠多的物質吸引到各個位置，從而首次觸發恆星的形成。為此，宇宙需要：

1. 天生就有微小的瑕疵，有些地區的物質比其他地方多，
2. 足夠冷卻，以便可以從電離的原子核和自由電子中形成穩定的原子，
3. 將足夠多的物質吸引到一個地方，以便氣體雲可以坍塌形成恆星，
4. 並使坍縮的物質散發出足夠的能量，以使核聚變可以開始在恆星的核中發生。

第一部分是宇宙通貨膨脹的主要證據之一。第二部分是我們看到的宇宙微波背景的來源；第三是需要花費所有時間（數千萬至數億年）的事情；但是第四是挑戰。

為什麼？

因為通常，氣體冷卻形成恆星的方式涉及通過氣體中的重元素輻射出能量。如果沒有這些冷卻劑，唯一的冷卻方法是通過氫氣輻射，效率極低。結果，宇宙中最早的恆星被天文學家稱為第三星族星，與我們今天形成的恆星有很大不同。

平均而言，每當新星形成時，宇宙就會形成一些大的、重的、塊狀的藍色恆星，但平均新星很小：大約佔太陽質量的40％。但是，由於缺少重元素，因此，第三星族星的平均恆星應該是太陽質量的10倍，這意味著它們都壽命很短，並且可能在超新星爆炸中死亡。

從某種意義上講，這非常不錯，因為超新星不僅會產生大量的重元素，而且還會導致中子星的形成，然後中子星可以自身融合在一起以產生所有重元素：碘，金等元素，鉑和鎢。這些第一批恆星很重要，它們製造超新星的事實也很重要。

但這也帶來了挑戰，因為這些早期的恆星團中只有一點點物質，而超新星則以令人難以置信的猛烈速度將物質排出。如果您進行數學運算並加起來「形成第一顆恆星需要多少材料」，然後將其與「超新星彈出材料的速度有多快」相比較，就會遇到難題。

圖註：同一超新星顯示在兩個面板中：同樣的超新星在兩個面板中顯示：從1985年左，右從2007/8年，大約22年後。後一個圖像不只是更高的解析度，但提供信息，告訴我們超新星物質從中心區域彈出的速度。如果這個空間區域沒有足夠的引力，彈射物質將完全離開銀河系。

所發射的物質太快，無法滿足現有的質量要求，這意味著這些重元素應壓倒性地噴射到星際介質中。

那很糟！我們需要依靠這種物質，以便它可以參與子孫後代的形成。我們需要它來幫助形成：

• 後代的恆星，所以我們可以獲得低質量的恆星，
• 巖石行星，這樣我們就可以擁有一個像地球這樣的地球世界，而不是僅以氣體為主的行星，
• 和生命，因為我們需要這些重元素能夠實現的化學反應。

僅宇宙中基於原子的正常物質不足以做到這一點。存在的所有氣體、灰塵和黑洞根本無法為我們提供足夠的引力來掛在這種材料上。在僅由原子構成的宇宙中，我們所看到的更龐大的結構（如我們居住的結構，銀河系）將是不可能的。為了形成它們，我們需要額外的成分：暗物質。

在暗物質的作用下，這些早期的恆星團和原星系可能具有足夠的引力，可以掛在超新星和其他大災變所噴射的物質上，同時又吸引了越來越多的物質。隨著時間的流逝，會形成足夠多的重元素，從而開始形成更多演化的恆星，其中大部分是重元素。這些恆星質量較低，不僅有助於產生我們周期表中的許多元素，而且還有助於白矮星的融合和爆炸，導致形成碳，氮和鈣等原子：這是人體的重要元素。

最終，經過數十億年之後，像銀河系這樣的單個星系將富含這些重元素，以至於當新恆星形成時，它們也能夠在它們周圍形成巖石狀的類地行星。人們認為，在大爆炸之後大約92億年，我們銀河系中一個恆星形成區域創造了各種各樣的恆星，其中一顆恆星將長成我們的太陽。它的原行星盤最終將形成四個內部巖石行星，以及一個由外部氣體巨行星組成的系統。從太陽到地球的第三顆行星最終將形成生命並導致人類崛起。

這些都不是預定的結論。如果我們將時鐘倒回太陽系的最初形成並再次向前移動十億次，那麼人類即使出現一次也不大可能出現。但是，如果我們將時間回溯到熱鬧的大爆炸的早期，那麼一個充滿恆星、星系、巖石行星、類太陽恆星以及萬億萬億生命機會的宇宙將是不可避免的。

原因很簡單：宇宙的規律和原始成分總是相同的。具有正常物質的宇宙將產生光元素。具有密度缺陷的宇宙將產生第一代恆星；具有暗物質的宇宙將懸掛在噴射出的物質上，並形成具有重元素的恆星；具有第二代恆星的宇宙將形成巖石行星和類似太陽的恆星；擁有巖石狀地球行星的宇宙將使生命存在，生存和繁榮發展數十億年。其餘的一切都取決於機會，但這就是使我們存在的可能。我們所有人都應該好好珍惜它。