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虽然我们此前已经提到过人类的存在和黑洞之间存在联系这一点，但此时有必要稍稍偏离本书的主题，提一提我们刚才所描述的过程在大质量恒星上发生时有多么迅速。恒星的规模越大，就需要越努力地燃烧核燃料，以抵抗引力的挤压。而且在融合链的每一步——从氢燃烧和氦燃烧到简单的碳燃烧等等——每一个相互作用所释放的能量都会比上一步较少，因此，燃料持续的时间也较短。我们的太阳的年龄是45亿年，作为一个氢燃烧恒星只过了一半的时间。但是，对于一颗质量相当于17或18个太阳的恒星来说，氢燃烧仅能持续几百万年，氦燃烧持续大约一百万年，碳燃烧则仅仅有1.2万年，氖和氧燃烧约10年，硅融合则仅仅持续几天。不过，我们对化学元素起源的知识，最近的进展却是来自恒星的另一端——比太阳质量小的恒星。由于它们的寿命非常长，虽然它们是在宇宙早期形成的，但直到现在它们依然存在。
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到目前，我告诉大家的有关恒星核合成的一切，涉及的都是我们现在看到的银河系中的各种恒星。所有这些恒星都富含比氦更重的元素，因此不会是宇宙大爆炸后出现的基本粒子重子构成的。必须已经有至少一代的“原始”恒星，它们制造了像碳这种元素，参加了比目前的太阳更大的恒星内部的CNO循环。像银河系和类似的星系中的恒星有两个基本的种类，即星族Ⅰ和星族Ⅱ恒星。星族Ⅰ恒星就像我们的太阳，主要位于银河系圆盘上，它们包含的重元素占了最大比例。它们是由自身几代之前的恒星所产生的物质构成的，而且由于形成它们的星际物质云含有相对丰富的重元素，它们最有可能附带有行星和生命（我们将在下一章更详细地讨论这一问题）。星族Ⅱ恒星，主要处在围绕银河系圆盘周围的一个球形光晕中。它们是老年恒星。由于它们形成的时候宇宙还比较年轻，此前的恒星所产生的材料少，而且比起星族Ⅰ恒星来，含有的重元素也不太丰富。在星族Ⅱ恒星中很难有机会找到一个由岩石构成，类似地球的行星。但是，这些恒星的光谱表明，即使是这些恒星的外层，在温度较低尚未发生核合成的区域，仍含有微量的重金属元素，所以它们也不是最早形成的恒星。
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按照星族Ⅰ和Ⅱ的命名逻辑，宇宙中最先产生的恒星就应该叫做“星族Ⅲ”恒星，它们完全由氢和氦构成，不过至今人们还没有发现这种恒星。这种恒星肯定存在，是它们制造了星族Ⅱ恒星中微量的重元素痕迹，也是它们，启动了导致像太阳这样的恒星，像地球这样的行星，以及像我们人类这样的智能生命形成的进程。但是，比起在氢和氦的基础上外加微量重金属元素，仅用氢和氦构成恒星的难度要大得多。这是因为，作为一团在自己的引力下凝聚的云气，它的内部温度会升高，而这种热量往往在云气形成恒星之前就把它给冲破了。而如果周围有微量的碳和氧等，就可以形成一氧化碳或水蒸气等分子。随着气体云崩塌，这些分子连同其他材料一起变热，但它们非常善于以红外能量的形式向外辐射热。这样可以使云团将过量的热辐射出去，使它可以继续坍缩，直到形成像太阳这样的恒星。但是，如果没有这些原子和分子，那么只有当星云具有极大的质量，至少相当于几十个太阳的质量的情况下才会发生坍缩。如果有这么大的规模，星云就会在自身重力的作用下很快坍缩，内部产生核聚变所需的温度，发生超新星爆炸，将恒星彻底破坏（也许会留下一个黑洞），把重元素喷射到星际空间。这些恒星在垂死挣扎时产生的爆炸能量巨大，直到现在，我们仍能探测到由它们所释放出的来自可观测宇宙边缘的伽马射线暴——迄今探测到的最遥远的此类爆发，估计其红移为6.3，对应的宇宙年龄是还不到10亿岁。
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直到最近，我们认为所有原始的星族Ⅲ恒星的质量可能都超过了一百个太阳的规模，其生命周期则远远少于100万年。对于星族Ⅱ恒星所需的重元素，以及产生伽马射线脉冲来说，这是一件好事。但是对于试图找到重组后尚存的星族Ⅲ恒星的天文学家来说，却不那么好了。自那时以来，只有体积较小的恒星燃料燃烧得较为缓慢，足以存续到现在，而且传统上，天文学家认为没有小恒星形成于那个时代。
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不过这一次，传统智慧再次被证明是错误的。在21纪最初几年中，我们发现了几颗微小而暗弱的恒星，用判断银河系恒星元素含量的方法测算，它们含有极少的金属。它们还不是纯粹的星族Ⅲ恒星，但它们似乎是产生自宇宙黎明时分，一直存续到现在的天体“化石”。它们的存在已经帮助天文学家推断出星族Ⅲ恒星的真实面目，而且随着更多的此类恒星被发现，它们也似乎能揭示出更多关于恒星形成方式的奥秘。
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有关的新发现是一个国际天文学家小组历时10年观测南部天空一个大面积的区域实现的。他们使用了最现代化的望远镜——这是又一个典型的例子，说明在当今时代，要想取得科技进步，往往需要大范围协作，并且要使用昂贵的高科技设备，个别天才独立在实验室工作实现科学进步的时代已经过去了。62该调查所发现的暗弱的恒星，几乎完全由氢和氦构成，还不到太阳中发现的“金属”含量的二十万分之一。在这种情况下，说它们缺乏“金属”确实很合适，因为它们几乎完全不含铁。不过它们确实含有微量的碳和氮。根据推断，这些研究对象的年龄超过130亿年，这意味着它们形成于大爆炸发生后10亿年以内。它们为我们提供了了解当时宇宙的性质的直接线索。虽然这些恒星都处在我们自己所在的银河系内，离我们不过几千光年。可它们提供的线索，在其他情况下只能在具有极高红移的情况下才能得到。
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第一件让我们感到惊讶地发现，是如此小的恒星（质量约为太阳的百分之八十）竟然可以只包含如此微量的碳和其他重元素。而重元素是防止星云崩溃，提供红外冷却机制所必需的物质（参见第八章）。第二件让我们惊讶的事，是在没有原始星族Ⅲ恒星制造铁的情况下，这些恒星上的碳和氮是从哪儿来的。到目前为止，最好的答案来自两名东京大学（theUniversityofTokyo）的研究人员，他们仔细计算了规模为太阳的20至130倍的星族Ⅲ恒星的生命周期。他们发现，如果前身星的质量相当于大约25个太阳的质量，那么古老恒星上就极度缺少金属，两者之间的对应关系非常吻合。但是对于质量是太阳的130至300倍的前身星，观察到的元素丰度就不相匹配。
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质量是太阳质量的几十倍的星族Ⅲ恒星的生命周期的关键特征，是在其生命结束时，并不会完全毁灭。虽然它们也像Ⅱ型超新星那样爆炸，而且其含有丰富的碳和氮的外层也会被喷射到宇宙空间，但爆发却不足以破坏恒星的铁核。相反，其核心富含铁及其他重金属元素的物质，会收缩回到自身，形成相当于3至10个太阳质量的残余。这超过了中子星的稳定上限，因此该残余一定是一个黑洞。最重要的是，这不仅是一个理论上和通过计算机模拟恒星年龄的问题。我们已经发现一个已知类别的Ⅱ型超新星，即所谓的“暗超新星”，天文学家观测到它们的行为与计算机模拟预测的结果匹配得很好。
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这使得该模型具有双重的吸引力。它除了能确切预测出星际介质的比例，可以解释极度缺乏金属的恒星的元素丰度模式，还解释了第一批黑洞的产生，而且正如我们已经了解到的，黑洞本身就是一种重要的天体，随着宇宙膨胀，它可以刺激恒星形成集团。在宇宙初期，将有大量的这类黑洞，它们相互合并成长，成为现在我们观测到的星系中心的超大天体。
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这样，我们就可以追查所有化学元素的来源，一直上溯到重组之后不久第一代恒星的形成过程。恒星形成的历史本已写在恒星的物质构成中，其中最古老的恒星所含的重元素最少，而最年轻的恒星则含有最丰富的混合元素。这个故事的开端，是产生自宇宙大爆炸的氢和氦混合在一起，加上一点点氘和锂。接下来的几百万年中，起主导作用的主要是质量相当于几十个太阳的恒星，而且它们的寿命不到100万年。它们为下一代的恒星提供原料，而且其中最小的次代恒星一直生存到今天，成为极端缺乏金属元素的恒星。但是，更大的第二代恒星，质量是太阳的8到10倍，寿命只有几千万年，在大爆炸发生后3千万至1亿年间占主导地位，它们积累起了重元素，例如钡和铕等，并在生命周期结束时，通过超新星爆发将它们喷射到星际空间。这一代的恒星所提供的浓缩的材料，使得质量只有太阳3至7倍的恒星得以形成，而且正是这些恒星开始在整个空间制造并散播今天的太阳及同一代恒星上所具有的重元素混合物。
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由于较小的恒星寿命更长，这些恒星占主导地位的时代大约从宇宙大爆炸之后的1亿年一直延续到10亿年。正是由于在这一时期星际物质进一步变得丰富，才使得后来将铁等物质散播到整个空间的恒星得以形成。但在宇宙大爆炸之后30或40亿年时，即大约100亿年前，像银河系这样的星系已经存在，出现了两类明显不同的恒星，而且在银河系的光盘中，恒星的形成过程不断展现，与今天的情形类似。随着时间的推移，星际物质和后世的恒星中的重元素越来越丰富。但这一进程一直以一种本质上相同的方式（一种准稳态）在持续。恰恰是在这种背景下，我们可以看看，在银河系到了目前年龄的一半的时候，太阳及其家族内的行星——即太阳系——是如何形成的。
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宇宙传记 第八章 太阳系从何而来？
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古人认为，恒星是永恒不变的。从现代人的角度看，即使你知道宇宙有一个开端，也可能会猜测，所有的恒星都是宇宙诞生后不久就出现了，而且一直以来就在那里。但是，正如我们已解释过的那样，我们已经知道，自从大爆炸以来，已经有过好几代恒星了。我们还知道，直到今天，在银河系和其他星系中，恒星仍在诞生，而且通过研究恒星形成的地点，我们可以了解太阳及其家族成员是如何形成的。技术不断改进，新的观测手段也不断出现，使天文学家能够探测到星球形成的现场，即星云尘埃和气体的内部。在过去几年里，这些研究极大地改变了我们对于星球形成的看法。
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正是太空中年轻的恒星和星云气体和尘埃之间的联系，第一次为我们提供了恒星和行星来源的线索。恒星的寿命取决于它燃烧燃料的速度（也就意味着它的亮度有多高）以及它有多少燃料可供燃烧。质量更大的恒星有更多的燃料来维持燃烧，但是为了对抗自身的重力，它必须燃烧得更快。因此，最短命的恒星都是既大又亮。由于这样的恒星寿命如此短暂，当我们看到它们时，我们就能知道，它们都距离自己的诞生地不远——而且，在我们的星系中，最大、最亮的恒星都与星云尘埃和气体紧挨着。其中距离我们最近的这种星际材料的大集合就位于明亮的猎户座。著名的猎户座星云仅仅是一个范围更大的星云气体和尘埃——以及其他有趣的天文对象，有时被称作“气体尘埃综合体”——的一部分。哈勃太空望远镜拍摄到的一些最为著名的照片显示在猎户座综合体的星云中，镶嵌着年轻的恒星，星云自身不断被来自恒星的辐射吞噬。
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天文学家现在之所以相信他们至少已经大体理解了恒星形成的进程，部分原因在于，在像猎户座这样的恒星形成区域，存在数以千计的年轻恒星供他们研究。其中最受研究者关注的是猎户座星云集群，它距离我们约450秒差距（约1500光年）。这意味着现在我们看到的从这个集群发出的光，在穆罕默德开始在地球上传教时起就已经开始发出了。这个集群的中央，恒星最密集的区域的半径是五分之一秒差距，其密度相当于每立方秒差距有两万颗恒星；这一区域周围的更大的区域内，恒星密度要低得多，在半径为两个秒差距的范围内，至少包括2200颗恒星。
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现在我们也有可能衡量出一些恒星的年龄，而且准确性尚可，而不再是仅仅说“它们很亮，因此必然年轻”。虽然恒星内部的核聚变过程会稳步积累起更多的复杂的原子核，且因此一般情况下，新形成的恒星比很久以前形成的恒星含有更丰富的比氦更重的混合物质，但是这一规则有一个例外。元素周期表上的第3种元素锂，不是在恒星内部制造出来的，今天的宇宙中所有的锂都是在大爆炸核合成过程中形成并留下来的。更糟糕的是（就锂而言），实际上恒星内部的一些核相互作用会“燃烧”锂。因此，每一代的恒星所具有的锂都比前一代更少。这意味着含有锂最少的恒星是那些刚刚形成的。这种判定恒星年龄的方式惊人的准确；在21世纪早期，天文学家利用这一技术发现，在猎户座星云中有超过21颗恒星，其质量相当于我们的太阳，年龄都小于1000万岁，其中最年轻的形成仅仅有100万年。这是最好的也是最直接的证据，表明年轻的恒星确实是与银河系中的星云气体和尘埃存在联系；其中最年轻的恒星的年龄大约是100万年，这也符合被称为金牛座T型星这一类别的属性，这是通过比较观察年轻恒星的理论模型的属性推理出来的。
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从对许多这样的复合体的研究，我们可以得出一种自然的假设，即恒星产生自星云的中心，通过引力将物质吸引到一起形成。但是此后，星云分散开，其中部分原因是由于来自年轻的恒星的光以及其他辐射产生的压力。此后不久，最大最明亮的恒星很快熄灭了，但规模较小而长寿的恒星（像我们的太阳）留了下来，在银河系漫游，经历了几十亿年的时间，与其诞生地失去了所有联系。
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恒星形成的这个大纲近百年来已经为人所知，但其细节直到最近才开始清晰起来。事实上，宇宙中弥漫的星云与恒星起源之间存在关系，这简直再自然不过了。早在17世纪艾萨克·牛顿就曾写道：
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在我看来，如果太阳和行星的物质，以及宇宙中的所有物质，最终都均匀分布在整个空间，每个粒子和其他粒子都具有内在的引力，而粒子充斥的整个空间是有限的，那么，在这一空间外围的粒子将受到向内的引力，因此最终会坍塌到整个空间的中心，形成一个巨大的球形。但是，如果物质均匀分布在无限的空间中，那么它就永远无法聚集成一个单一的物体；但其中一些将聚集为某个大规模的物体，另一些
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则聚集成另外的物体，这样就形成无限多的巨大物体，在无限的空间中分散开来。这样，假如物质具有明确的性质，太阳和恒星就有可能形成。63
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引力确实可以将星际云气内的物质团块吸引到一起，形成新的恒星。但是，这一进程的效率一定很低。银河系已经存在了100多亿年，然而在其恒星之间，仍然存在星云气体和尘埃，而且至今还有一些造星过程在进行。为什么不是所有的物质在很久以前就都凝聚成了恒星？因为在牛顿设想的静态物质星云和银河系的动态物质之间，存在显著的差异。的确，静态的星云气体和尘埃会在自身引力的作用下聚集到一起，发生坍塌，至少会达到其内部具有足够的热量使自身保持平衡。但是，银河系中所有的物质，包括恒星本身以及形成恒星的物质，都是动态的。假如存在这样一种情况，地球距离太阳仍是现在这么远，但却是静止的，那么它会立即朝着太阳直线下坠；它之所以不会坠落到太阳上，是因为它处于轨道上，正在绕太阳运行。形成银河系的物质也处在轨道上，围绕着银河系的中心运转，星际云则慢慢围绕自己的中心旋转，此外还有其他随机的运动叠加在这种或多或少呈圆周状的运动中。宇宙空间还有“风”，就好像大气层中的风一样，可以使星云中的气体运动；而且星云中还存在磁场，排列星云，并防止它们坍塌。
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考虑到星云中发生的所有这一切，真正令人惊讶的是恒星竟然能得以形成。事实上，天文学家估计，在整个银河系中，每年只有比我们的太阳大几倍的（相当于几个太阳质量的）物质会转化为新的恒星。这大体相当于古老的恒星死亡的时候喷射回到空间中的物质的量。这种情况的其中一个含义是，有大量的恒星必须确实是在银河系形成过程中，在很短的时间内诞生的，那时银河系还远未达到目前的稳定状态。这些事件称作“星爆”，如今仍然存在于其他星系。不过我们不会进一步讨论这一问题，因为我们的太阳系并不是以这种方式形成的。太阳系是在仅仅50亿年前形成的，当时银河系已经达到其目前的状态有几十亿年了。
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星云以及星云内气体的随机运动可以借助多普勒效应，通过光谱进行研究。这些研究还可以揭示星云内状况的其他细节，比如其密度和温度等。在恒星之间的那些“虚空”的空间，在每15立方厘米空间内平均有大约一个原子（当然，其中大多数的原子都是氢原子）。在普通的星云中，同一云团中有大约一万个原子，而星云本身的范围可能扩展到三四十光年，64这一距离大约相当于太阳到距其最近的恒星的距离的四倍。虽然含有恒星的星云的温度可能会热到10000℃，但是对于产生崩塌并形成新恒星的星云来说，其最重要的一个特点，是星云必须非常冷，只比绝对零度高不到10度（低于10K，或低于零下263℃）。
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