我们生存的太阳系是中子星和黑洞的后代吗

北京时间 10 月 9 日消息，据国外媒体报道，太阳系很可能是宇宙诞生之后数代恒星生存消亡之后才孕育形成的，前几代天体的残骸 —— 白矮星、中子星和黑洞，至今仍散落在银河系之中。如果我们在邻近区域发现原始天体残骸物质，能证明太阳系和它们有关系吗？目前我们尚未得出一个明确的结论。

▲ 黑洞和中子星加速它们周围的物质，是高能量现象的来源，但它们产生于大质量恒星的死亡。这些恒星残骸是前几代恒星生存、死亡并丰富了星际介质的最后证据

与 138 亿年“高龄”的宇宙相比，仅有几十亿年历史的太阳系算是一个新生者，宇宙中许多恒星和行星形成时间比太阳更早，其中部分质量较大的恒星已完成了生命历程。当恒星诞生时，它们会以各种各样的质量形式出现，而质量较大恒星的燃料消耗速度最快，很快就会走向灭亡。在它们死亡的时候，它们将大部分恒星物质释放至太空，与其他星际物质混合在一起，可能产生新一代的恒星和行星，同时，死亡的恒星将留下残骸体，例如：白矮星、中子星或者黑洞。

▲ 图中是银河系平面的一部分，由于氢原子的释放，出现了恒星形成区域（图中被标为粉红色）。当新的恒星形成时，质量最大的恒星会很快死亡，它们的残留物会参与到未来的恒星形成过程中

那么这是否意味着当我们发现太阳系附近存在的恒星残骸时，就能将这些恒星残骸视为太阳系的“祖先天体”呢？研究人员米格尔・拉米雷斯（Miguel Ramirez）很想知道这种可能性，他指出，当距离地球最近的中子星以超新星的形式发生爆炸时，是否有可能为我们的行星状星云提供物质，为我们的太阳、行星以及地球生命提供必要的元素？或者更直接地讲，我们是中子星和黑洞的后代吗？

▲ 恒星形成区域 Sh 2-106 展示了一系列有趣的现象，包括被照亮的气体，提供这种照明的明亮中央恒星，以及尚未被吹散的气体的蓝色反射。这个区域的不同恒星可能来自许多不同过去和世代历史的恒星的组合

毫无疑问，地球人类文明的崛起，很大程度上得益于前几代的恒星，但是附近的中子星和黑洞真的是我们的宇宙祖先吗？让我们来找出答案吧！

▲ 这张照片展示了由哈勃太空望远镜拍摄的开放星团 ngc290。如图所示，这些恒星呈现出相应的属性、元素和行星（以及可能存在生命的可能性），因为所有的恒星在形成之前就已经死亡了。这是一个相对年轻的开放星团，其外观主要是大质量的亮蓝色恒星

恒星的诞生

当人们仰望晴朗漆黑的夜空时，会看到夜空中最显著的特征就是星星，它们是我们迄今为止所能感知到的最多数量天体，在地球上，人类肉眼大约可以看到 6000 颗恒星，但实际的恒星数量远不止这些。人们使用简单的双筒望远镜就能观测到 10 万多颗恒星，如果基于最好的太空探测器，例如：美国宇航局盖亚任务，可以识别发现 10 亿多颗银河系恒星。

在银河系里，总共大约有 4000 亿颗恒星，而在可观测的宇宙范围内，恒星数量可多达 2 万多亿颗，然而，当我们谈及这些恒星从何而来时，它们似乎都有一个共同的起源。

▲ 图中呈现的是摩根-基南光谱分类系统，显示了每颗恒星的温度范围。现今绝大多数恒星都是 M 级恒星，在 25 秒差距内只有 1 颗已知的 O 级或 B 级恒星。我们的太阳是一颗 G 级恒星。然而，在早期宇宙中，几乎所有的恒星都是 O 级或 B 级恒星，其平均质量是今天平均质量的 25 倍。当新的恒星在大质量区域形成时，O 级或者 B 级恒星就会大量形成

现今宇宙中每颗恒星都是由气体云引力坍缩而形成的，这些气体云是由大爆炸遗留下来的氢和氦混合物，以及前几代恒星残骸重新注入星际介质中形成的。这些恒星是在辐射产生足够能量后才出现，至少有一个天体完全坍缩，足以点燃其核心的核聚变。

形成恒星的最后一步是激活核聚变，仅在温度内核（多数是氢内核）达到 400 万摄氏度才会自然发生核聚变，将质量大约是 7.5 倍太阳的天体物质聚集在一个区域，虽然质量各不相同的物体从这些原始大型气体云中形成，但仅有那些越过临界质量阈值的物体，才会最终成为拥有行星系统的恒星。

▲ 图中是 CR7 星系，它是科学家最早发现的星系之一，被认为是第三种群恒星的所在地：宇宙中第一个形成的恒星。后来人们确定，这些恒星不是“原始恒星”，而是缺乏金属的恒星的一部分。最初的恒星一定比我们今天看到的恒星更重，质量更大，寿命更短

在形成太阳系的气体云首次出现引力收缩之前，大约需要经历 92 亿年的宇宙演变，不仅产生了太阳和太阳系所有行星，而且可能还同时产生了数千颗其他恒星。恒星的形成通常不是孤立发生的，而是在巨大爆炸中，数千甚至数十万颗恒星同时诞生。据我们所知，星云中绝大多数恒星都是伴随着大量恒星同时形成的。

▲ 图中是大质量恒星在其整个生命周期的解剖结构，当恒星内核耗尽燃料时，最终形成 II 型超新星。聚变的最后阶段是典型的硅燃烧，在超新星爆发之前，只在核内短暂地产生铁和类铁元素。对于第一代恒星，几乎每一颗恒星都被认为是在超新星中消亡的

我们的太阳是数代恒星的“结晶”

人们可能会想，为什么现今每颗恒星都含有数代原始恒星的部分物质，尤其是如果恒星形成事件导致恒星质量不一，例如：当恒星形成的时候，通常会出现以下情况：一些质量较大的恒星；大量中等质量恒星；大量低质量恒星；甚至还有更多从未真正成为恒星的天体，其中包括：褐矮星和流浪行星。

▲ 在距离地球 1.3 万光年的宇宙区域，人们无法用哈勃太空望远镜的分辨率看到梅西耶 71 星云，但这张照片应该会让你对内部恒星的密度和亮度有一个显著认知。梅西耶 71 星云大约有 90 亿年历史，直径仅 27 光年，金属含量比像太阳这样的恒星要少得多，相比之下，太阳诞生时间较晚

在这些诞生的恒星中，仅有大约 0.1% 恒星的质量足够大，能以超新星爆炸的方式结束生命，最终当恒星死亡时仅残留一个黑洞或者中子星。尽管它们比其他恒星质量更大，氢燃料更多，但它们的亮度令人难以置信，消耗燃料的速度也远快于质量较小的恒星。事实上，多数超大质量恒星，其质量是太阳质量的数百倍，它们仅存在几百万年时间，然后耗尽燃料，最终消亡于灾难性的超新星爆炸。

还有大约 20% 恒星在某种程度上与太阳十分相似，这些恒星会燃烧内核的氢燃料，然后这些内核收缩并加热，将氦聚变成碳，与质量更大的恒星发生过程相同。然而，不同于这些质量更大的恒星，当类太阳恒星耗尽氦，就不会发生进一步的聚变事件，因此类太阳恒星也就不会发生超新星爆炸。

▲ 当质量较低的类太阳恒星耗尽燃料时，它们会在行星状星云中释放其外层，但其中心会收缩形成一颗白矮星，这需要很长时间才会消失在黑暗的宇宙中。一些白矮星有几十亿年的历史，这意味着它们的祖先恒星可能对我们太阳系的形成做出了贡献

类太阳恒星走向死亡需要几十亿年时间，它们仅是逸散外层，逐渐形成行星状星云，而恒星内核会收缩成白矮星。

相比之下，质量更小的恒星 —— 红矮星，完成它们的生活周期所需的时间比宇宙目前的年龄更长，事实上，尽管现存的恒星中有 80% 是红矮星，但没有一颗燃烧耗尽所有氢燃料。当大质量恒星生命周期走向消亡时，将丰富周围星际介质，并为后代恒星做出贡献，而小质量恒星仍然存在着。

但第一代恒星就完全不同了，除了氢和氦，没有任何可察觉的物质，这些恒星形成过程非常困难。当然，当时的引力作用和现在是一样的，核聚变也是一样的，触发核聚变的重要物理过程所需的温度和密度阈值也是保持不变的。

然而，仅有氢和氦，这些早期恒星在能量辐射方面效率极低，这意味着它们不能像现代恒星那样收缩至坍缩状态，最终宇宙第一代恒星的质量普遍比现代形成的恒星大许多，天文学家将它们称为超级质量恒星。

而宇宙中近代形成最普遍的“均质恒星”，其质量仅有太阳质量的大约 40%，意味着它们的寿命比太阳更长，宇宙第一代恒星出现的“均质恒星”质量是太阳质量的 10 倍，而它们的寿命仅有数千万年。最终，第一代恒星在数十亿年前就完成了生命周期，它们最终以超新星爆炸结束生命，并为后代恒星的诞生丰富了气体云。

▲ 一个像银河系一样的螺旋星系向右旋转，而不是向左旋转，这表明宇宙暗物质的存在。然而，其他恒星和恒星残留物的引力影响将扰乱任何单个恒星的运动，使长期预测几乎是不可能的

在宇宙中寻找地球根源

现代宇宙中不仅充满着恒星，而且还有大量的恒星残留物 —— 也就是之前几代恒星的尸体，那些之前生存和死亡的恒星，每当我们发现一颗比太阳更古老的白矮星、中子星或者黑洞时，就有一种非零可能性，即它们可能是来自曾经存在的恒星某些物质，它们产生的特殊残留物质构成了当前的太阳、地球和太阳系所有天体。依据白矮星和中子星的演变过程，随着它们年龄的不断增长，其温度和自转会发生变化，我们可以测量单个天体，并估计其具体年龄。然而，对于黑洞我们不能这样进行测量，我们还不知道如何可靠地确定它们的形成年代。

我们现今观测的恒星拥有各种各样的属性特征：恒星质量不一，从 0.075 倍太阳质量至 260 倍太阳质量；它们含有比氦更重的元素在 0.001%-3% 之间不等；我们所观测的最早恒星诞生于 130 多亿年前。

然而，当诞生新恒星的重大事件发生时，该事件中形成恒星仅是质量存在差异的，但它们有相同比例的重元素（天文学家称之为金属丰度），以及相同的形成年龄。

换句话讲，在我们附近寻找与太阳年龄和金属丰度相近的其他恒星非常重要，如果我们能找到一颗年龄和金属丰度与太阳相近的恒星，即使质量相差很大，也有可能是由相同气体云形成的。你甚至可能有非常聪明的想法测量恒星在星系中的运动方式，相对于太阳和其他恒星，并试图重建 46 亿年前它们以及地球的位置，从而证实这些天体是否起源于同一星系的相同区域。

同样，你可能会打算在自家后院观测白矮星、中子星和至少 46 亿年历史的黑洞，如果你能准确地测量它们在太空中的运行状况，就能推算出 46 亿年前它们在星系中的运行轨迹，那时太阳和其他恒星刚形成不久，甚至它们形成时间更早，观察这些恒星的生存和死亡过程，很可能它们死亡残骸是形成太阳系的气体星云的一部分。

但如果我们遵循这个合理而直观的观测方法，最终得到的答案可能并不可靠，以至于我们还不如采取随机猜测。这种方法存在一个明显的问题：银河系大约有 4000 亿颗恒星，平均每隔几十万年，每颗恒星会抵达另一颗恒星的“近日点”，其轨道会发生明显变化。随着每一次微小引力“牵引”作用，恒星之前位置的不确定性就会增加，以至于推测 1 亿年前的恒星运行状况都是不可靠的，更不用说 46 亿年前或者更久远。

事实上，我们甚至还没有确定任何一颗恒星或者恒星尸体残骸，我们可以自信地认为，它们来自与太阳相同的恒星形成星云或者星团，当大量恒星都从同一个星云中形成时，就会产生星团，其内部的引力相互作用导致它们在大约数亿年的时间内全部分离。许多恒星形成过程中遭受了强烈的引力牵引，以至于被驱逐出银河系。如果没有一幅全面而准确的银河地图，包含着银河系内恒星和恒星残骸，我们就缺乏足够的信息来得出一个合理的结论。

这是天文学和天体物理学等观测科学遭遇的巨大挫折的一部分，我们无法通过控制实验来研究宇宙自然演变，我们仅能获得宇宙当前的一个快照：当这些遥远天体的光线到达我们眼睛的时候。尽管我们了解万有引力原理，也成功地绘制出银河系中的天体，包括它们的三维位置和运动，但重建数十亿年前天体位置远超出了我们当前的技术能力。

我们可以肯定的是，现今宇宙中存在大量中子星、黑洞，甚至白矮星，事实上，它们对我们太阳系中的重元素都有贡献。毫无疑问，从它们的祖先恒星死亡到太阳诞生的时间间隔越长，其中一些物质混入星云的概率就越大，而星云就是我们的起源。

但是否有任何特定天体对太阳系构成具有贡献？目前探寻该谜团远超出了当前人类科技范围，我们是黑洞、中子星和许多其他天体的后代，但如果我们不了解这些天体在银河系曾经的关键时间的位置，就无法确定我们的宇宙祖先是谁。

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