觀察你身邊的某個物體，隨便什麼物體。它可以是你正用來閱讀這篇文章的電子設備，也可以是一個茶杯、一張桌子，或是你腳下的地板。你要做的是儘可能仔細地觀察它。你可能會察覺到塑膠裡的凸起，或者木紋裡的線條、小裂縫和一些瑕疵。或許，你可以開始看到材料是如何構成的，但無論你觀察得多仔細，都無法看到最小的組成部分——分子、原子、質子和中子、夸克和電子。我們生活在一個被這些相同的粒子包圍的世界之中。但你可曾好奇過，這些粒子究竟從何而來？
宇宙是善於循環利用的，我們周圍的一切事物都來自曾經出現過的某些東西，這在任何尺度上都是如此。例如，你的衣服是由各種各樣的纖維製成的，而如果追根溯源，你會發現這些纖維都是由植物和動物產生的。所有的這些材料都是由碳氫化合物——也就是含有氫和碳的分子構成的。從某種意義上說，它們是由生物通過結合空氣中的碳和水中的氫而創造出來的。但氫和碳很可能在地球形成之時就已經存在於此了。那它們是如何來到這裡的？這是個說來話長，但又非常有趣的故事，它跨越了整個宇宙的歷史，讓我們從頭開始說起。
/從基本粒子到巨大星系
我們都聽說過，宇宙始於大約138億年前的大爆炸。在大爆炸之後，宇宙中主要充滿了光子和中微子，還有少量能與光子相互作用的電子，以及一些很快就會形成質子和中子的基本粒子。
在幾分鐘的時間內，宇宙的溫度和密度高到足以讓質子和中子克服它們自身的斥力而聚變成原子核，形成氫、氦、鋰，以及一些只能短暫存在的不穩定同位素。我們可以在最遙遠（也最古老）的星系、類星體和氣體雲中測量這些早期元素的含量，為大爆炸理論的正確性提供重要的證據。
這時，宇宙的大小只有幾光年寬，但它還不是透明的——光子只能移動非常短的距離，因為它們很快就會被這個或那個粒子吸收。由於當時的溫度太高，電子無法與原子核結合，因此宇宙中充滿了帶正電的原子核和帶負電的電子，即等離子體。所有的這些帶電粒子密集地聚集在一起，阻礙了光子的自由運動。
直到大爆炸的38萬年後，宇宙膨脹到足以使物質冷卻，等離子體的溫度才下降到能使電子、質子和原子核穩定地結合在一起。這時，帶電粒子造成的混亂才被清除，光終於得以自由地在宇宙中穿行。我們在宇宙微波背景（CMB）中看到了這方面的證據。
無論從哪個角度看，我們都能看到空間中充滿了微波輻射的低頻背景。這是宇宙變得透明的那一刻所留下的餘輝。透過射電望遠鏡與微波望遠鏡，科學家可以探測宇宙微波背景，捕捉到這些在宇宙中不受阻礙地穿行了約138億年的光子。
宇宙變得透明的時刻。/ 原理
在宇宙變得透明的那一刻，它突然間充滿了那些我們所熟知的物質——原子核（質子和中子）與環繞著它的電子構成了總電荷為零的原子。由於沒有電荷斥力讓它們保持距離，在不同位置上物質密度的微小差異讓它們開始因自身的引力而聚集在一起。第一個大尺度結構開始形成。
一開始，物質聚集在一起形成較為密集的塊狀，繼而形成分子云。然後，分子云再進一步地坍縮，終於在宇宙誕生後不到2.5億年時，達到一個臨界密度。這時雲內的氫開始發生聚變，啟動了第一代恆星，這些恆星照亮了宇宙，它們推開周圍多餘的物質，成為原始的氫氣迷霧中閃爍著熠熠星光的島嶼。在第一代恆星形成後，它們開始聚集成越來越大的群，最終形成了小的矮星系。接著，這些矮星系會合並在一起，形成越來越大的星系，並最終演化成為今天我們在宇宙中所看到的巨大星系。
/恆星的一生與元素的誕生
我們今天所知的並觀測到的所有結構都是由兩種東西驅動的——引力和恆星，前者把物質聚集在一起，後者釋放星光照亮了宇宙。當恆星處於它一生之中最長的時期時，它被稱為主序星。它是恆星生命中經歷的最平凡時期，在這段時期，恆星非常穩定，不會出現太大的變化。
在恆星的核心，核聚變通過一系列質子-質子鏈式反應，將氫變成氦。這個過程能持續多久取決於恆星的大小，只要核心的氫足夠多，這個過程就能一直持續。恆星大多由氫構成，所以有足夠多的燃料來維持很長一段時間的核聚變。對於像太陽這樣的中型（G型）恆星來說，這個過程會持續80或90億年，目前我們的太陽已歷經了一半的時間。
質量比太陽更大的恆星壽命更短，因為大的恆星更加明亮，消耗燃料的速率也更快。比太陽小的恆星壽命則會長得多：最小的恆星能持續燃燒數萬億年。
赫羅圖，它顯示了恆星在不同生命階段時的溫度和光度之間的關係。圖的中部成對角線分佈的是主序星。/ ESO
但最終，恆星內的氫會慢慢耗盡，而聚變也會開始減慢。故事開始從這一刻變得有意思起來。
當聚變仍在如火如荼地進行時，由聚變所導致的爆炸會產生一個外向力，這會與導致坍縮的內向引力相互抵消。這兩股巨大力量的相互平衡，維持著這顆恆星的主序生命；但一旦恆星的燃料開始耗盡，這種平衡就會遭到破壞。隨著聚變的減慢，引力開始佔上風，恆星開始坍縮，核心會受到前所未有的壓力。一開始，聚變還會上演一段逆襲——隨著壓力的增加開始聚變出更重的元素，最先將氦轉變成碳，然後順著元素週期表轉變成越來越重的元素。但這也只能讓這種平衡再維持一陣子。
最小的恆星——紅矮星，會以最「祥和的」方式結束它們的生命。因為它們非常小，所以在它們的一生中，所有的物質都會隨著對流而充分混合。這意味著，只要恆星的外層還留有氫，核心中就會不斷地有新的氫供應。紅矮星是唯一一種能耗盡其全部氫供應的恆星，因為它們能不斷地將新的燃料混合到核心，這就是為何它們的生命週期可以這麼長。當耗盡所有燃料時，紅矮星最終會保持穩定，變成一顆白矮星——一顆緻密的、在核心處沒有聚變發生的死亡恆星。
在類太陽恆星中，這種更大、更熱的聚變會將物質帶向相反的方向，並開始加熱剛好在核心外的物質層。這些物質層最終會變得足夠熱，從而像在核心中那樣開始聚變。這為恆星的膨脹、冷卻、變紅（紅色比藍色溫度更低）提供了一種額外的力。恆星的外層會膨脹得非常大，吞噬掉任何靠近它的行星——這也將是太陽、地球和我們太陽系內的其他行星的命運。
最終，一旦恆星聚變了它所可能聚變的最重元素，它的外層就會被推開，只留下緻密的核心，成為一顆白矮星，並被稱為行星狀星雲的氣體雲所包圍。行星狀星雲包含了一些形成於恆星內部的元素，其物質最終會回到星際介質，幫助形成一代代新的恆星。而之所以稱之為「行星狀」，是因為通過早期望遠鏡來看，它們看起來與行星相似。
恆星的一生：不同質量的恆星有著截然不同的命運。/ NASA and the Night Sky Network
對於更大的恆星來說，它們的結局更加戲劇性。由於引力造成的坍縮效果要強大得多，這些恆星不會推開它們的外層物質，而是會不斷收縮。隨著核心中的材料進一步收縮，越來越重的元素得以聚變而成，每次都會讓收縮減慢一段時間，直到新燃料開始殆盡，使得所有的一切都進一步收縮。這個循環會不斷重複，直到它突然陷入死衚衕。
當兩個原子聚變在一起時，它們的總質量會比單原子時的質量之和更小一點點，失去的那部分質量就被轉化成了能量，並以光子的形式被釋放了出來。但值得注意的是——並不是所有元素都這樣，這隻適用於比鐵輕的元素。這就是為什麼我們也能通過裂變來產生能量——例如像鈾這樣的元素的裂變。這些元素比鐵重得多，它們的總質量實際上略高於它們裂變成的元素的質量之和，因此當它們裂變時會釋放能量，而聚變時會吸收能量。鐵的出現標誌著核聚變的「叛變」——它開始從釋放能量變成吸收能量。
核結合能曲線。由聚變和裂變所釋放的能量如何隨原子核的大小而變化。隨著原子核大小的增加，聚變所釋放的能量就更多，直到鐵（Fe）出現，能量釋放達到峰值，隨後釋放的能量開始減少。/ 維基共享資源
那麼，對於一顆年事已高、正沿著元素週期表逐個聚變出越來越重的元素的大型恆星來說，這意味著什麼呢？這意味著它最終會產生鐵。而當這一幕發生時，一切都結束了。它具有產生鐵原子的能力，但這樣做只會消耗能量而不是釋放能量。一旦恆星開始產生鐵，就再也沒有任何事物可以阻止引力的無情摧毀。核心會在自身的引力下坍縮，沒有什麼能夠阻擋這一切發生。這種不受阻礙的坍縮會形成超新星，其核心坍縮的速度快到足以引發一場突然的聚變爆發，並最終變成一顆中子星或一個黑洞。在坍縮和爆炸過程中，正當一切開始冷卻，恆星就開始製造宇宙中的重元素。
超新星並不是唯一能產生重元素的地方。中子星之間的併合實際上也可以產生重元素。中子星的密度非常大（質量略大於太陽，但直徑只有數千米），當兩顆中子星相撞時，會產生一種被稱為千新星的爆發事件。在千新星過程中，原子核聚變成最重的不穩定元素，再衰變成更為穩定的元素。
元素週期表及元素起源。/ 珍妮弗·約翰森 & 歐洲航天局、美國國家航空航天局、AAS Nova
任何比鐵重的東西——珠寶裡的黃金、電子設備中的銅、煙霧探測器裡的鋂——都產生於巨大的恆星坍縮以及中子星合併的瞬間，然後出現在周圍的物質中。超新星和千新星產生了所有的這些物質，並將它們拋回宇宙中。
用天文學中略顯神秘晦澀的說法來講，除了氫和氦之外的一切元素都是「金屬」。一顆恆星中的金屬含量（由多少氫和氦以外的物質構成）被稱為這顆恆星的金屬丰度。
/恆星，不止一代
每一顆恆星的死亡都會向太空拋射一次金屬，新的恆星會從舊的恆星殘骸中形成。這意味著每一代新的恆星所含有的金屬比例都比上一代高。這是可以通過光譜學（觀測哪些波長的光被發射，哪些被吸收）來測量的東西，同時這也是估算恆星年齡的一種方法。金屬丰度低的恆星形成於宇宙生命的更早期，金屬丰度高的恆星則更加年輕。
根據恆星的金屬丰度，天文學家將它們分成三類：星族I是最年輕、且最富含金屬的恆星；星族II是古老的、只含有少量金屬的恆星；星族III是幾乎不含金屬的恆星——它們是宇宙中的第一代恆星（儘管目前我們還沒有真正的觀測到它們）。
第一代恆星和太陽的成分的比較。/ STScl
與早期的恆星相比，後期出現的恆星具有不同的大小和顏色。早期的恆星往往比後來的恆星更大，因此它們的壽命往往更短。它們更大的體型也讓它們比我們想象中的更藍。所有的恆星在開始時都是偏藍的，隨著年齡的增長和溫度的降低，它們會變得越來越紅，但更古老的恆星會因為起始溫度較高，而更長時間的維持偏藍的色調。
/「平平無奇」的太陽系
太陽並沒有任何特別之處，它屬於星族I，與其他恆星沒有什麼不同，它的形成也與其他恆星一樣：由過去的恆星殘留下的氣體和塵埃形成。太陽系中的所有物質幾乎都落入了太陽本身——它自身佔太陽系總質量的99.8%，剩下的形成了行星。當太陽開始形成的時候（即當氣體雲開始坍縮時），角動量守恆使得這些氣體雲開始旋轉並形成一個被稱為原行星盤的物質盤，所有的行星和它們的衛星，連同彗星和小行星，以及其他一切都是由此而形成的。
由於原行星盤的金屬丰度決定了行星形成時有什麼物質，所以一顆恆星的金屬丰度能告訴我們如今有哪些可能的行星在圍繞恆星運行。一顆金屬丰度較低的恆星周圍不太可能存在太多大的行星。行星需要一個堅固的核心才能形成，而塵埃雲中的金屬就像是形成新行星的種子。
原行星盤會在恆星生命早期劇烈的金牛T階段蒸發，這一階段有極強的恆星風，會將較輕的元素吹離恆星。在這個階段，如果原行星盤的金屬丰度較低，那麼它就會蒸發得更快，留給行星形成的時間也就越短，這些行星也就因此無法變得很大。
通過將金屬丰度（光譜）與來自如開普勒望遠鏡等系外行星調查的結果進行比較，天文學家證實了金屬丰度與氣態巨行星數量之間的相關性。開普勒在恆星周圍發現了一些小的行星，它們的金屬丰度各不相同，但在金屬丰度較低的地方，似乎沒有那麼多大的行星。這意味著只有在經歷過幾代恆星的存在和消失之後，才可以形成像太陽系這樣的恆星系統。
環繞在年輕的恆星金牛座HL周圍的原行星盤。/ ALMA
太陽系的原行星盤一旦形成，密度上的微小差異會導致其中的一些物質開始聚集在，較重的物質開始形成岩心，氣體和較輕的固體開始聚集在岩心周圍。這些聚集的塊會相互碰撞、合併，從而聚集更多的零散物質，變得越來越大。一開始只是小的石子，再到大一點的卵石，然後成了小行星，再往後就變成了行星。拜金牛T星風所賜，在一些離太陽較近的區域具有更高比例的岩石物質，這便是形成像地球和火星這樣的行星的區域。更遠的地方主要被氫氣和氦氣佔據，這便是氣態巨行星形成的區域。
當行星形成之後，它們會四處遷移，發生很多的碰撞——這是一段動盪的歲月。其實，「行星」一詞的英文「planet」就源於希臘語中的「漂泊者」，早期太陽系中的行星也確實名副其實。這些氣態巨行星會相互作用，改變彼此的運行軌道，分散那些更小的天體，將大量的小行星拋入太陽系內部，引發了一段被稱為晚期重轟炸期的時期。一些本可存在的行星被拋入太陽，還有一些則被驅逐出太陽系，流放到了星際空間。我們不知道它們現在在哪——它們已迷失在深邃的太空中，但可以確定的是，它們還在銀河系的某個地方。
行星與行星之間的相撞，使得一些行星被摧毀，粉碎成無數的小碎片。還有一些在相撞後結合了起來，合併成更大的行星。我們今天所看到的都是在這場混亂中倖存的行星，是被幸運之神眷顧的那幾個。
/我們都是星塵
我們的地球，起初是一個非常炎熱、乾燥、覆蓋著熔岩的星球。出現在晚期重轟炸期早期的那些高頻率、高強度的撞擊，觸發了火山活動，使得地球表面被熔漿覆蓋了數億年。最終，在更廣闊的太陽系裡，事物慢慢趨於平靜，儘管大大小小的碰撞直今仍可能發生（比如流星和導致恐龍滅絕的撞擊事件），但那些特大的撞擊事件變得不那麼頻繁。
當碰撞減緩時，地球開始冷卻。這時，地球上的故事開始變得有趣。隨著物質冷卻，海洋開始得以形成。雖然水的起源還有待商榷，但無論來自何方，水從大氣中凝結到海洋裡，為生命的形成開闢了道路。
岩石、空氣、水、你的身體……地球上一切的一切，都是由曾屬於恆星的某一部分物質所構成的。46億年前，我們的太陽從死亡恆星的殘骸物質中誕生。1億多年後，地球也誕生了。如此看來，我們的確都是由星塵構成的。我們體內的原子是某個早在地球存在之前就已經死亡的恆星的一部分。我們很難弄清宇宙的大小，我們很容易把宇宙想象成是離我們很遙遠的某種東西，某種與我們並無關係的事物，但這其實是種錯覺。在宇宙中，沒有這裡和那裡之分，一切都是相同的。同樣的物理定律、同樣的原子、同樣的宇宙。正如我們是宇宙的一部分，而宇宙也在我們的生命中。
創作團隊 /
撰文：亞當·麥克馬斯特（Adam McMaster）
設計：嶽嶽/雯雯
參考來源 /
https://www.pbs.org/wgbh/aso/databank/entries/dp65co.html
https://www.eso.org/public/images/eso0728c/
https://www.ast.cam.ac.uk/public/ask/2451
https://www.space.com/23772-red-dwarf-stars.html
http://www.astronomy.ohio-state.edu/~jaj/nucleo/
http://www.astronomy.com/news/2015/06/the-very-large-telescope-discovers-brightest-distant-galaxy-and-signs-of-population-iii-stars
http://www.astrobio.net/news-exclusive/when-stellar-metallicity-sparks-planet-formation/
https://three-alpha.space/the-solar-system-has-a-lot-of-water/
圖片來源 /
封面圖&首圖：新原理研究所