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宇宙演化曆程如何促使人類誕生?


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人類是如何誕生的?關於這個解釋需要各種各樣的「宇宙前輩」,與早期恒星、遠古星系合並,以及大爆炸都有關聯。即使是暗物質,也對人類存在於宇宙中發揮著極其重要的作用。

新浪科技訊 北京時間7月30日消息,據國外媒體報道,通過觀察我們自己的身體,我們可以了解很多宇宙曆史。一位成年人擁有令人難以置信的複雜身體系統,由數萬億個細胞構成,如何造就一個人的科學故事不僅教會我們關於地球生命的進化和演變,還能洞悉整個宇宙發展曆程。

事實上,人類的誕生不僅是地球數十億年生命繁衍、填充地球每個生態龕位的最終演變結果,而且與整個宇宙有著密切聯系。

人類是如何誕生的?關於這個解釋需要各種各樣的「宇宙前輩」,與早期恒星、遠古星系合並,以及大爆炸都有關聯。即使是暗物質,也對人類存在於宇宙中發揮著極其重要的作用,從宇宙角度來看,用了138億年時間才使地球誕生人類文明,我們將講述人類如何孕育的宇宙故事。

在生命最基礎層面,我們可以通過觀察構成人體的微小組成部分——原子,來洞察人類的秘密。氧是我們體內最豐富的元素,其次是碳、氫、氮和鈣,總體而言,元素周期表中至少有56種不同元素,人體內包含的每種元素至少有0.1毫克,其中輕元素和重元素都在人體的生物活動中發揮著重要作用。

20萬年前,早期人類已在地球上行走活動,他們世代繁衍生息,每一代都是從母體生物體(或從多個雙親生物體)進化而來,遺傳物質以及發生的任何突變都會從母體遺傳給後代,在40多億年的地球生命演化史中,所有生物都遵循這樣的起源和繁衍方式。

然而,所有曾經存在的各種生命形式,都依賴於和人類相同的成分:相同的原子和元素。它們都需要一個穩定的「家園」,然後聚合形成生命形式,在數十億年時間裏繁衍和維持自己物種發展,這就像類似地球的行星環繞相對穩定的恒星——太陽,持續運行數十億年時間。科學家無法斷定像人類這樣的生物是生物進化的必然產物,但對於宇宙中與地球條件相似的每一顆星球而言,我們必須認識到這是可能實現的。

科學家提出了置疑:宇宙中需要發生什麼,才能使一顆環繞類太陽恒星運行的類地行星擁有產生生命所需的原材料呢?人們不能只是解釋宇宙運行機制可以創造出生命元素,畢竟這樣的解釋沒有確切的科學依據。在科學研究中,如果你想知道一個關於宇宙問題的答案,就必須全面了解宇宙原理。我們的方法是通過提出假設、進行實驗、觀察,最終得出結論。

幸運的是,這種方法非常成功地提供了我們所尋求的答案。生命第一種元素是構成元素周期表中的各種原子,當我們仔細觀察地球和太陽系中其他天體時,包括:墜落在地球上的隕石,我們可以確定哪些元素以何種比例存在,這其中就包括生命所需的所有元素。

通過研究較大質量恒星、超新星爆炸、小型類太陽恒星、類似白矮星和中子星的恒星殘骸、宇宙射線、甚至宇宙大爆炸,我們可以確定元素周期表中每個元素主要來自何處。

如果宇宙最初是熾熱的大爆炸,那麼僅產生的元素是氫、氦和少量鋰,再沒有其他元素。原因很簡單,但相關的限制也很嚴格,在最早、最熾熱的階段,大量高能量的質子和中子,也有足夠的光子(或者光粒子),每當質子和中子結合在一起時,光線就會照射進來,並將它們分離開來。

只有當宇宙充分膨脹和冷卻之後,質子和中子才能結合在一起形成更重的元素,而該過程需要時間。但到那個時候,物質的密度和能量都小很多,以至於排斥氦原子的電力非常強,粒子無法克服它。在大爆炸中可產生最輕的元素,但不能產生較重的元素,必須等待很長時間才能形成恒星。

宇宙需要幾千萬甚至數億年時間,才能冷卻到足夠冷卻下來,引力將足夠多的物質吸引到獨立區域,從而引發首次恒星誕生。達到該狀況需要以下幾個條件:一是恒星誕生時存在「微小瑕疵」,恒星誕生區域更具重要性;二是達到足夠低溫狀態,可以從電離原子核和自由電子中形成穩定原子;三是吸引足夠多的宇宙物質進入一個區域,導致氣體雲崩潰形成恒星;四是坍縮的宇宙物質輻射出足夠的能量,使恒星內核區域出現核聚變。

第一個條件是宇宙膨脹的關鍵證據之一;第二個條件是宇宙微波背景來源;第三個條件是需要數千萬年至數億年時間才能出現的;第四個條件存在一定的挑戰。

為什麼呢?因為在正常情況下,氣體冷卻形成恒星的方式涉及到較重元素將能量輻射出去,如果沒有它們,唯一的冷卻方法就是通過氫氣輻射,這是非常低效的。因此,宇宙中最早的恒星,也就是天文學家所說的第三類恒星,與現今形成的恒星差異很大。

平均而言,當誕生新恒星的時候,宇宙都會形成一些較大、較重的藍色恒星,但新誕生恒星的平均質量很小:大約是太陽質量的40%。由於缺少重元素,宇宙第三類恒星的平均質量應當是太陽的10倍左右,這意味著它們生命很短暫,很可能在超新星爆炸中消亡。

從某種意義上講,這有利於產生較重的元素,因為超新星爆炸不僅會產生大量的重元素,還會促使中子星形成,而中子星本身可以合並在一起,形成碘、金、鉑和鎢等較重元素。因此宇宙初期的恒星很重要,它們形成超新星爆炸的過程也很重要。

但這也帶來了一些挑戰,因為早期星團僅有少量宇宙物質,而超新星以令人難以置信的猛烈速度釋放物質。如果你計算一下「有多少物質可以形成宇宙早期恒星」,並將其與「超新星噴射物質的速度有多快」進行比較,你就會遇到一個難題。

超新星噴射物質的速度太快了,這就意味著這些較重元素會以壓倒性的速度被拋射至星系介質中。這將是非常糟糕的事情!這些較重元素不能快速逃逸到太空中,否則無法參與未來幾代恒星的孕育形成。

後續幾代出現的恒星是低質量恒星,存在著岩石行星,極有可能出現像地球一樣的岩石星球,並非完全是氣態行星。同時,這些條件對於生命是至關重要的,因為生命所需較重的化學元素已形成。

單憑宇宙中普通的原子物質不足以實現,所有氣體、灰塵、黑洞都無法為我們提供充足引力來吸附這些物質。在一個僅由原子構成的宇宙中,我們不可能看到的是更大質量的天體結構,例如:銀河系,為了形成它們,還需要一個額外成分——暗物質。

在暗物質的作用下,早期星簇和原始星系擁有足夠的引力吸附超新星噴射物質,同時吸收越來越多的物質,隨著時間的推移,充足的重元素累積並進化形成恒星。這些恒星質量較低,但這有助於形成元素周期表中的許多元素,而且還能產生白矮星。白矮星合並和爆炸過程中,會形成碳、氫、氮 、鈣等原子,而這些原子正是人類身體的組成元素。

最終,經曆數十億年之後,像銀河系這樣的星系將擁有足夠多的重元素,當新恒星形成時,它們會在周圍形成岩石類地行星。科學家認為,大爆炸92億年之後,銀河系的一個恒星誕生區形成各種各樣的恒星,其中包括我們的太陽。太陽的原行星盤形成4顆內部岩石行星,以及一顆外部氣態巨行星,地球是距離太陽最近的第3顆行星,最終形成生命,人類文明開始崛起。

這一切都不是命中注定的,如果我們將時鐘追溯至數十億年前太陽系最初形成時期,那時人類出現的可能性較低。但如果我們將時鐘追溯至大爆炸早期階段,當時是一個充滿恒星、星系、岩石行星、類太陽恒星的宇宙環境,生命孕育形成的概率會更高。

其原因很簡單:宇宙運行機制和原始成分始終不變,宇宙初期存在大量正常物質,將有助於促進較輕元素形成;物質密度不均衡的宇宙將產生第一代恒星;宇宙在暗物質的作用下會緊緊吸引被拋射的物質,並且與較重元素結合形成恒星。擁有第二代恒星的宇宙將形成岩石行星和類太陽恒星,如果宇宙中存在岩石類地行星,那麼生命就能在數十億年時間裏繁衍,此外,還可能取決於一些不確定性因素。(葉傾城)


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