為了創造一顆充滿生命的巖石行星,宇宙需要制造大量的重元素。想要產生錫、碘、硒、鉬、鋅和銅等元素,需要銀河系在過去多次出現超新星爆發。為了產生鐵、鈣、鈷、硫和鉀等元素,需要質量足夠大的恒星來制造它們。
然而,宇宙誕生的時候幾乎只有氫和氦兩種元素。如果當時宇宙就只有這兩種元素,那就不可能產生比太陽質量大三倍的恒星。這樣,重元素無法產生,更不會有后來的地球與生命。然而,早期宇宙中的一個微小缺陷使恒星質量得以成長到太陽的數百倍,這是今天我們可以存在的唯一原因。
正因為這些大質量恒星的出現,才有了今天我們所知的宇宙。在像我們太陽這樣的恒星中,中心區域達到足夠高的溫度,使氫聚變成成氦,直到中心的氫元素耗盡。此后,太陽的核心將會坍縮,使溫度升高至足以把氦聚變成碳,以及痕量的其他元素。
當氦元素耗盡時,太陽將到達生命的終點,它無法再聚變更重的元素。若要進一步聚變,需要至少太陽質量8倍的恒星。正是那些大質量恒星在生命終結時爆發成超新星,才有足夠高的能量來制造重元素,然后擴散到宇宙中。
在大多數類似于銀河系大小(直徑約10萬光年)的星系中,每個世紀都會出現多個超新星,表明這些大質量恒星在宇宙中很常見。事實上,無論在宇宙何處出現恒星大爆發,即使是第一次,也會產生諸多質量足夠大的恒星來制造這些重元素。
然而,如果宇宙只有普通的氫和氦兩種元素(其中氫由一個質子組成,氦由兩個質子和兩個中子組成),這將產生一個巨大的問題:氫核聚變開始于大約4,000,000 K的溫度(K = ℃ + 273.15),這需要至少1.6×10^29 kg的質量坍縮成一顆恒星。由于質量巨大,原恒星將迅速坍縮,在短時間內加熱到聚變溫度,并向外釋放出很強的輻射壓,這將會推開原本被吸引的氣體元素,從而阻止恒星進一步生長。最終只能形成質量大約為太陽3倍的恒星,而產生地球與生命所需的大質量恒星將無法形成。
幸運的是,宇宙自誕生之初起,還存在其他成分,它們使得大質量恒星的出現成為可能。這種額外的成分就是氫的重同位素:氘,它由一個質子和一個中子組成。當氘和正常的氫核同時存在時,只需1,000,000 K的溫度就能把它們聚變成氦-3,同時產生相對較弱的輻射壓。這是原恒星中發生的最初核反應,它把核心向外推,使溫度上升的速度遠慢于只有氫的情況。
即使只有少量的氘——少于原恒星質量的0.01%,也可以把溫度升高至啟動氫核聚變的時間推遲數千萬年。從而使恒星有足夠的時間聚集更多的原料,來形成數十倍甚至上百倍太陽質量的恒星。
那么,宇宙中的氘來自哪里?
在宇宙大爆炸之后的最初幾秒鐘,宇宙是由質子和中子組成,它們互相碰撞形成更重的元素。第一步會形成氘,但它們很容易被極早期宇宙的高能輻射破壞。直到幾分鐘之后,氘才能穩定存在。雖然這導致宇宙幾乎全部由氫(大約占75%)和氦(大約占25%)組成,但同時也形成了痕量的氘和氦-3,以及更少的鋰-7。
盡管在這個過程中,只有大約0.0025%的宇宙質量成為氘(四萬分之一),但這足以使大質量的恒星形成。只有大質量恒星的誕生,才會有后來的重元素,最終才有地球與生命。雖然我們的宇宙并不完美,但這是絕對必要的。如果沒有微量的氘來延遲恒星中心的核聚變反應,宇宙將不會有生機。