1.1 太阳“出来”啦！

1.1.1 当前的宇宙被称为“物质宇宙”，起源于150亿年前的宇宙大爆炸

那么，锻造地球的原始物质是从哪里来的呢？这个故事我们还是要从宇宙的开端——宇宙大爆炸讲起……

据认为，我们目前的宇宙应该是起源于150亿年前的一次宇宙大爆炸（膨胀）——BIG BANG。最新的探测数据表明爆炸具体发生在137亿年前。在爆炸之前，宇宙是一个广阔无垠的“能量海”，充满了以能量形式存在的基本粒子。不知什么原因，在宇宙的能量海里被激起了一朵“浪花”（被称为“奇点”）之后，这朵“浪花”就开始像波浪一样传播开来，在宇宙中不断地膨胀、膨胀……直到目前，膨胀还在进行中。

随着宇宙的不断膨胀，其密度和温度都开始降低，大约在爆炸开始之后的3min，最早的宇宙物质开始形成（见图1.2）。这些物质主要是氦和氢，它们是产生恒星的基本物质。

1.1.2 太阳是恒星中的“第二代”

组成恒星的物质，来源于宇宙冷却之后形成的原初元素（氢和氦）。它们构成了第一代恒星，其特点是元素中最轻的氢和氦占了恒星物质的绝大部分。

我们知道，恒星是经由热核反应而产生能量的。能量释放的同时，也会形成新的物质（元素）。总体来说，这是一些不断地由“轻”元素合成为“重”元素（见图1.3）的过程。这些过程发生在恒星体的内部，合成出的“最重”的元素是铁（相对原子质量52）和镍（相对原子质量56）。比它们更重的元素，由于合成时需要更高的温度和压力，所以只能在恒星的爆炸过程中合成产生，比如新星和超新星爆炸时就会产生金、铂等重元素，还有就是中子、质子数较多的放射性元素铀、钍和钴，等等。

恒星的产生来源于宇宙中的“星际物质”。它们凝聚、合成、压缩，不断地旋转汇聚在一起，汇聚、物质塌缩产生的重力势能转化为热能，当中心的温度达到热核反应所需要的温度时（一般是400万K以上），恒星就会被点燃，开始发光、发热。

第一代的恒星产生于大爆炸时期，据观测，目前宇宙中存在着年龄超过120亿年以上的恒星。它们就是由宇宙的初级产物氢和氦构成的。太阳的物质组成比起第一代恒星来多了许多的重物质，这就说明，太阳是第一代恒星经历超新星爆炸之后的产物。而正是这些爆炸之后再聚合的物质，构造了我们的地球！

1.1.3 太阳是太阳系家族的主宰

在整个太阳系中，太阳的质量占到了太阳系整体质量的99.865%。这也可以理解为，在太阳系中几乎就是太阳决定了一切。所以，谈论地球、行星、太阳系的演化，都需要先了解太阳，也就是恒星的演化过程（见图1.4）。

恒星的演化过程和它的质量有很大的关系，特别是在恒星演化的最后阶段，也就是死亡阶段。一般认为，恒星的一生会经历四个典型的过程：引力收缩阶段、主序星阶段、红巨星阶段和晚期阶段。

1．引力收缩（原恒星）阶段

此阶段分为两个过程进行。

（1）星云坍缩为原恒星。这是由星际物质形成原恒星（胎星）的过程，可以称之为恒星的婴儿期。星际物质的成分主要是氢，质量百分比占到70%，其次是氦，不足27%，还有极少量的氧、碳、氮等，其密度极小，但体积和质量巨大。此过程中引力起支配作用，表现为物质处于自由下落状态的快收缩过程。星云的密度增大，温度升高，当核区温度升高到2000K时，氢分子开始分解成氢原子，同时吸收大量的热量，促使中心区域坍缩为一个体积更小、密度更大的新内核，也就是原恒星。

（2）原恒星进而坍缩为恒星（相当于恒星的幼儿期）。这是一个慢的收缩过程。当所有分子氢都离解完时，吸热机制消失，但收缩仍在持续进行，而原恒星物质所受到的引力（向内）与辐射压力（向外）近乎势均力敌。收缩使热量增加，其中一部分辐射逸出原恒星外，其余部分使原恒星物质的温度进一步上升。当温度升高到700万K或更高时，核区开始出现氢聚变为氦的热核反应，此时慢收缩过程结束，而原恒星便演变为一颗真正的恒星——主序星。

2．主序星阶段

主序星阶段的恒星相对稳定，时间周期也很长。此过程是恒星内部以氢聚变成氦为主要能源的发展阶段，是恒星的“青年时代”，也是恒星一生中最长的黄金阶段，占据了它整个寿命的90%。这段时间，恒星整体稳定，向外膨胀和向内收缩的两种力大致平衡，恒星基本上不收缩也不膨胀，并且以几乎不变的恒定光度（所谓“光度”就是指从恒星表面以光的形式辐射出的功率）发光发热，照亮周围的宇宙空间。但在其内部进行着剧烈的氢核聚变为氦核的反应，核反应产生的热能全部用于热辐射和电磁辐射及微粒子辐射。在恒星中心的氢耗尽时会逐渐形成一个不再产能的氦核，其温度不再改变，被称为同温氦核。当同温氦核的质量达到恒星质量的10%～15%时，同温氦核开始顶不住星体的自吸引，氦核会猛烈坍缩，释放出巨大的引力能。能量的一部分用于氦核加热，另一部分辐射到外部使恒星外壳急剧膨胀。此时的恒星表面温度虽有下降，但由于表面积急增，恒星光度仍在增大，于是恒星开始从主序星向着红巨星方向发展。不同的恒星停留在主序星阶段的时间随着质量的不同而相差很多。质量越大，光度越大，能量消耗也越快，停留在主序星阶段的时间就越短。

3．红巨星阶段

红巨星阶段相当于恒星的中年期。由于热核反应中氢的燃烧消耗极快，恒星中心形成氦核并且不断增大。随着时间的延长，氦核周围的氢越来越少，当氢消耗殆尽时，热核反应就开始减弱了，相应的向外辐射也会减弱。辐射和引力间的平衡被打破，作为失去平衡的直接结果，是星核由于引力作用开始收缩，收缩的星核温度又迅速升高。高温的星核又加热了恒星外层的大气，使得恒星外层向外膨胀，恒星的体积变大。恒星膨胀后，它的大气的温度迅速降低到4000K左右，由于处在这样低温的恒星发出的光是偏红的，所以这时的恒星演变成了一颗红巨星。红巨星的外层大气虽然在膨胀和冷却，但它的星核却由于引力而在收缩形成镜像反应，核的密度和温度在不断升高。

当星核温度超过1亿K时，星核中的氦元素被点燃，发生以氦为原料的核聚变。这种氦核聚变为碳核的反应进行得很快，放热更多，致使氦核停止坍缩，红巨星也因此能稳定一个短时期，例如太阳能在红巨星阶段停留几亿年。由于氦核的聚变反应历时较短，燃烧产能不足以维持巨大的辐射，红巨星又开始收缩，表面温度虽有升高，但总的光度变小，标志着恒星演化进入了生命的最后阶段。

4．晚期（白矮星、中子星、黑洞）阶段

红巨星阶段后，恒星进入“晚年”。此时的恒星是很不稳定的，直至某一天它会猛烈地爆发。到那时，整个恒星将以一次极为壮观的爆炸来结束自己的生命，把自己的大部分物质抛射向太空中，重新变为星云，同时释放出巨大的能量。这样在短短几天内，它的光度有可能会增加几十万倍，我们称之为“新星”。如果恒星的爆发再猛烈些，它的光度增加甚至能超过1千万倍以至1万万倍，这样的恒星叫做“超新星”。这就是著名的“超新星爆发”。恒星经过抛射大量物质后所留下的致密核心可演化成三种不同形态的新星体。理论计算表明，如果核心质量小于1.4倍的太阳质量（称为钱德拉塞卡极限），它可能演化为白矮星；如果核心质量小于2.3倍的太阳质量（奥本海默极限），它可能演化为中子星；而核心质量大于3.2倍的太阳质量时，它就有可能演化为黑洞。就这样，恒星来之于星云，又归之于星云，走完了它辉煌的一生。

1.1.4 太阳带给了我们什么？

如果只需要用简单的一句话来回答这个问题，那就是——太阳带给了我们（地球）一切！

第一，太阳系的形成是以太阳为核心的。太阳最初形成时产生的巨大的吸引力形成了太阳系的核心部分，然后再形成星盘和行星环。据理论推测，大行星等太阳系天体就是行星环破裂、碰撞、凝聚的结果。

第二，太阳系的形成、地球的形成和演化都需要太阳持续地提供能量。比如，地球早期形成时期的火山喷发、早期海洋和大气的形成，都需要太阳持续不断地作用。即使是目前在太阳和地球都处于稳定演化的阶段，太阳的能量也是维持地球和人类存在的根本（见图1.5）。

第三，地球演变的进程中，对地球影响最大的事件可以认为是地质年表中所说的冰期和间冰期。研究表明影响它们的形成和演变的多种因素中，天文学的因素占了主导地位，具体来说应该是太阳和地球之间的轨道变化造成了冰期和间冰期的周期性变化，而它们大大地影响了地球的演化进程。你只需要简单地看一下下面这张图表，就能体会到太阳的“威力”（见图1.6）。

第四，地球上能被我们察觉到的最明显的变化，莫过于气候和气象的变化。风雨雷电、洋流、气流的形成归根结底都是太阳的影响。对人类生活影响越来越大的厄尔尼诺现象，据研究就与太阳的周期性活动密切相关。

最后，我们不要说太阳在她的晚年会变成红巨星，体积会膨胀到“吞没”地球，我们只需注意一下太阳黑子的周期，太阳耀斑对地球大气、海洋的影响等。即便最近获得人们更多关注的全球变暖现象，也和太阳的活动有着极大的关系。

所以，这本书在谈论地球的演变之前让大家先重视太阳，是极其必要的。这就像饮水思源一样，地球的演化、地球上发生的各种各样的事件，根源都是太阳。太阳带给了我们一切！