陨石与元素起源之谜

在人类的童年时代，就已经有了元素的思想，即认为这个多姿多彩的世界，是由一些基本的元素组成的，例如古代中国的金、木、水、火、土“五行”学说；古希腊的水、火、土、气“四元素说”；古代印度的地、水、火、风、苦、乐、生命“七元素说”；以及到了15、16世纪，欧洲的医学家和化学家还流行一种“三元素说”，认为万物都是由盐、硫、汞这三种元素组成的。尽管在不同的文化里面，对于元素如何相互作用而组成这个世界，具有风格很不同的理解，但是，它们一致的地方就是，世界的繁复表相总是应该能够归结到一些简单得多的基本元素上面去。

轻元素的起源

人类的这个顽强的思想终于在始于17世纪的现代科学革命当中，获得了实质性的发展：化学家们通过精巧的实验方法，揭示出了这个世界的万物都是由一些化学元素组成的，而在自然界发现的所有化学元素，又由门捷列夫发现了其中的周期规律，从而可以用一个化学元素周期表简洁优美地表达所有这些宇宙积木的相互关系，并进而为人类发现原子的结构奠定了基础。

那么这些元素是不是就是上帝最初创造世界时所使用的积木呢？后来人们发现原子本身是由中子、质子、电子所组成，这样上帝只需要用一些中子、质子、电子，就可以造出100多种元素。问题是，上帝的这个制造过程是怎样的呢？

当然，科学不承认上帝的存在，对于这个问题就需要换一种问法，就是这个宇宙当中的化学元素是怎样起源的？

由于所有的元素只是其所组成的质子、中子的数目不同，因此一个自然的想法是，可能最初宇宙只是含有一些简单的元素，然后这些简单元素再组合为复杂元素。古老的炼金术在这种思想当中获得了复活，而核裂变现象的发现，间接证明了这种思想的合理性。按照现代宇宙学的理论，在宇宙刚出生1秒的时候，就开始了最原始的核合成过程，即从中子和质子合成原子量为2的第一号元素氢（氘），和原子量分别为3、4的第二号元素氦的两种同位素，然后就依次是第三、四、五号元素锂、铍，和硼及其同位素。由于宇宙温度随着它的膨胀而降低，这就使得要单纯在原始宇宙茫然一片的气体里面合成硼后面的第六号元素碳，以及更加重的元素变得不可能了，因为要把更多的中子和质子聚合起来，需要更高的温度和压力。

重元素的生产

那么更重的元素是怎么产生出来的呢？由于每一种元素在高温下所发出的或散射出来的光，都具有各自独特的光谱，所以通过观测宇宙当中恒星和星系所发出的星光，可以发现，比硼重的那些元素，主要只是存在于恒星里面，而且还主要是存在于非早期的恒星里面。这就提示我们，更重的元素是恒星制造出来的，而且还可能是伴随着恒星新生－死亡－再新生－再死亡，经历过多次的恒星制造过程，而逐步制造出来的。

为了揭示重元素起源的真相，我们当然希望能够从宇宙的重元素制造工厂－恒星获得第一手资料，但是连我们近旁的太阳都无法接近，而即使我们能够研究清楚太阳是如何制造重元素的，由于太阳本身是由原始的太阳星云物质聚集结团形成的，那些原始的星云物质呢，又是由更早期的恒星死亡后喷射出来的残骸，因此形成太阳的原料里面应该早已经含有一定的重元素，因此要真正了解在宇宙历史当中重元素的起源，我们还需要把目光投向更加遥远的处于宇宙的比太阳更加早期的恒星。但路途遥迢，我们如何去研究它们呢？

陨石的记载

天无绝人之路，陨石是太空最令人惊喜的历史书。在原始太阳星云的大部分物质结团为现在的太阳及其行星的时候，漂浮游荡于太阳系的宇宙尘埃被初生炽热的太阳熔融甚至汽化，然后凝结为矿物质微粒，由于它们一直在太空漂浮，而没有被太阳俘获，经受太阳那么一个高温高压熔炉的冶炼，所以这样的微粒的化学元素构成基本反映了太阳形成之前原始星云的一般化学构成，也反映了制造它自身所包含的那些化学元素的上一代恒星的化学元素构成。那么我们只要搜集到这样的微粒，就可以追踪元素在恒星的生生灭灭历史当中的起源真相。

幸好小行星能够俘获这样的原始星尘，然后当它们撞见地球，被地球俘获成为陨星的时候，我们就有可能在那些原始陨星里面找到那样的古老微粒，而它们记载着宝贵的重元素起源的线索。在原始陨星里面，古老的星尘颗粒具有多种矿物形态，例如石墨、三氧化二铝等，而含量最高的是碳化硅颗粒，而且这种颗粒也还足够大，几个微米量级的半径可以很方便地被分离出来，然后就可以运用极端灵敏的现代质谱仪对颗粒进行元素组分以及同位素相对含量的测量分析。最近，美国的一组研究人员就在这种碳化硅颗粒里面，测量发现了第44号元素钌的异常含量，通过比较这种来自原始星云的灰尘颗粒和太阳系整体平均的重元素及其同位素的组成及含量，发现很好地符合此前科学家们根据恒星里面重元素如何合成的理论而作出的预言。

锝与钌的事迹

早在1952年，就有天文学家通过分析一类称为小质量渐近巨支星（AGB星）所发出的星光光谱，发现它们一定含有第43号放射性元素锝。而元素锝的一个显著特点就是它不是天然地存在于地球上，人们只能在加速器里面通过核的相互碰撞而得到它，并且它还只能在很短的时间内稳定存在，然后很快衰变为其他元素。而既然能够在遥远恒星的星光当中发现锝的光谱，这就提示我们，在那些AGB星里面，一定在持续不断地生产锝。这是对于恒星能够制造新元素的理论的直接支持，那么我们是不是还能够找到更多的证据呢？

除了通过星光光谱分析而了解恒星的元素生产实况之外，另一个途径就是直接测量我们所能够获得的在太阳形成前的原始遗留物质的元素组分。在碳化硅颗粒里面测量得到的钌正好就是锝的一种衰变产物，因此由钌在属于原始星云物质化石的碳化硅颗粒当中的含量，可以揭示当这些颗粒物质还是属于那个太阳之父的恒星里面的一部分时，元素锝的一般含量，这就相当于找到了早期恒星生产元素锝的直接证据。

按照现有的恒星演化理论，超过90％的碳化硅颗粒都是由小于3倍太阳质量的所谓小质量渐近巨支星（AGB星）在后期喷射出来的，然后这些颗粒的化学组成就再也没有受到外界的影响。今天我们有幸能够从陨星里面找到这种比太阳还古老的矿物质，就可以从中读到那遥远过去的一段辉煌历史：在太阳还没有出世的时候，重元素已经在宇宙各处的恒星里面被制造出来，然后当那些恒星陆续爆炸、喷射、死亡之后，它们的遗骸散布于原始星云，然后不知止息的万有引力又把这些星云物质聚合起来，形成新一代的恒星，偶尔，还有一些恒星的边角余料就形成了象地球这样的行星。这时元素周期表上面的所有稳定元素，都已经准备好了，构成大山，构成长河，构成树木花草，最终构成我们万物之灵－人。

当然，当我们死去，当太阳燃尽，一切又回到元素的形态，等待下一次的聚合，或为恒星，或为陨石，甚或为新的智慧生命，这种命定的循环，大概正是陨石给我们讲述的故事的主题。

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