大爆炸之后，宇宙只是一锅稀薄的汤

Lex Fridman 请麻省理工学院天体物理学家 Anna Frebel 回到银河系存在之前。她说，科学家相信有过大爆炸，不过对她的工作来说，重要的是留下了哪些元素。婴儿期的宇宙由氢、氦和微量的锂构成，基本就这些，而这恰恰是一份形成结构的糟糕配方：气体太热，无法坍缩、聚集，也无法点燃核聚变。

第一批恒星在任何星系出现之前，就从这种原始混合物中形成了，而且它们是巨星，质量大约是太阳的 100 倍。大质量恒星只需几百万年就会爆炸，在宇宙的时间尺度上不过一眨眼。它们在核心里把氢和氦一路聚变成铁，然后在超新星爆发中把产物抛入太空。Frebel 说，经过第一次爆炸，宇宙就不再是化学上原始的了，这一变化为之后的一切奠定了舞台，包括他们正在进行的这场对话。

这些第一批恒星花了几亿年才出现，之后又过了几百万年才轰然爆炸。Frebel 喜欢把宇宙想象成一锅美味的汤。第一批超新星提供了盐：只是一小撮较重的元素，味道就彻底变了。碳、氧、镁和铁的数量只有一丁点，却足以改变周围气体的物理性质。

那撮盐为什么如此重要？碳和氧原子比单个质子复杂得多，它们能把辐射带出云团，使云团降温。较冷的气体会碎裂成更小的团块，更小的团块又会形成更小的恒星。像太阳这样的恒星大约能活 100 亿年；质量更小的恒星寿命更长，可以达到 150 亿到 200 亿年。这就是 Frebel 研究生涯的立足点：大爆炸后不久形成的低质量恒星，今天仍然可以被观测到。

核反应发生在核心，外层几乎不与核心交流，所以大气保留着恒星诞生时那团云的配方。Frebel 不必望向宇宙的边缘来研究开端。她对附近最古老的恒星进行化学分析，解读最初十亿年发生的事。上高中时，教科书说宇宙有 200 亿年的历史；此后这个数字大致稳定在 138 亿年左右，她认为这是因为宇宙微波背景（cosmic microwave background）图和其他独立数据基本已经趋于一致。

她推测，最早的小恒星可能形成于大爆炸之后大约 5 亿年——先是几亿年让第一批巨星出现，然后才轮到下一代。这也是最早的原星系组装起来的时候，银河系最终正是从这些恒星系统中长大的。星系是层级式增长的：较大的星系会吞并较小的邻居。那些被吞并的早期恒星如今位于银河系外围，这也是 Frebel 把望远镜对准外缘的原因。

Frebel 说，星系是由大量恒星组成的巨大集合。银河系大约有 2000 亿到 4000 亿颗恒星，大多分布在一个圆盘中。我们生活在一个旋涡状的盘状星系里。从北半球看，银河光带是下一条外侧旋臂，背后是黑暗的空间，所以看起来相对较薄。到了南美洲，你就能看到下一条内侧旋臂，它被银河系中心逆光照亮——那是一片蓬松的气体与恒星形成区域，她称之为“银河派对”，这也是南半球的银河看起来亮得多的原因。

如果你有机会看到那样的天空，她鼓励你几乎闭上眼睛，想象自己坐在圆盘里，坐在那张薄饼中，直直地望进去。你能感觉到有上面和下面，我们确实是这个星系的一部分，而不是迷失在空旷的太空里。Fridman 问，这是否让她觉得自己很渺小。她说，她不这么觉得，至少不一定。她感到敬畏，也感到自己属于这里。许多人想象一颗孤独的行星，然后是一片虚无，而她觉得这几乎有些悲哀。她更喜欢银河旋转木马的画面：太阳确实绕着中心转，只是我们感觉不到这段旅程。

Fridman 好奇其他恒星周围世界的多样性。Frebel 指出，大约每两颗恒星中就有一颗至少拥有一颗行星，考虑到恒星有数千亿颗之多，这是一次庞大的普查。恒星和行星的形成仍然难以用精确的配方描述：你需要一团冷却的云，某些东西聚集成团，然后不知怎的恒星就出现了，有没有行星都可能。当地条件各不相同，就像人人都是人，却长得各不相同。行星本身几乎不发光，所以真正为一颗行星拍照仍然极其困难。她说，那里有大量可能性，我们得再耐心一些。

几乎每个大星系的中心都有一个超大质量黑洞，而天文学家仍然不知道这些天体从哪里来。Frebel 说，在早期宇宙中，暗物质先形成结构，在较浅的引力势阱中束缚住气体和恒星。这些最早的束缚系统通过吞并更小的邻居而长大。在这个过程中的某个地方，一定有超大质量黑洞的种子。她并不确定，究竟是黑洞先出现，还是星系先出现。

一个部分答案其实就在身边。银河系周围仍然环绕着几十个矮星系，Frebel 已经研究过其中一批。就天文学家所能判断的而言，这些矮星系里没有黑洞。引力束缚结构——不论称之为原星系、矮星系还是第一批星系——可以在没有中心巨兽的情况下存在。原始的早期银河系体量更大，有某种不同之处使它能够吸引并整合那些小星系。James Webb 红外太空望远镜（JWST）已经运行了大约一年，同事们正盯着那些微弱的光斑，这些光已经穿越了约 130 亿年，他们在寻找那些早期黑洞的开端。已经有一些令人意外的结果，目前还没有人真正理解。

Frebel 希望她的 JWST 同事把研究推向更古老、更原始的结构。技术上的上限很快就会到来。系统越小，就越暗；距离越远，也越暗。“从技术角度看，我们很快就会走到尽头，”她说。在宇宙的那个早期阶段，越小确实越古老；过了那个阶段，就不再成立。

Fridman 问，黑洞悖论的理论物理与她的研究之间有多少交叉。Frebel 说，乍看之下并不多。她主要观测恒星。这里的物理是化学层面的，并不极端，尽管核聚变确实需要量子隧穿。她喜欢与理论同行交流，也和运行星系模拟的人合写过论文——没有离纸笔推导黑洞的那群人那么远。即便如此，他们的兴趣相同，却几乎说着两种不同的语言。

要找到共同语言，确实花了不少时间。她说，如果科学家之间都难以沟通，不妨想象一下和非科学家交流。大家关心的是同样的人类谜题，只是切入角度不同。只要你肯花时间，这个过程是有趣的，那些跨语言的论文，是她最成功的一批，也是她最享受的。Fridman 把它比作人工智能与神经科学：一个群体试图构建智能，另一个群体则试图理解大脑中的智能，两者使用的数据和背景都不相同。

模拟者可以设定一堆参数，扮演造物主，启动宇宙来看哪一个能与天空相符，这相当于宇宙尺度上的“模拟人生”。观测者则拿到望远镜分配给他们的夜晚，收集真实的光子。Frebel 把整个事业称为一个大沙盒。每个人都有自己的一角，但大家都在同一个沙盒里。这个沙盒里还有极其昂贵的望远镜，大家为了用它而争抢，因为只有一个实验可做，那就是宇宙，我们看到什么，就是什么。

恒星质量越小，寿命越长。在饭桌上聊天时，Frebel 举的例子是太阳的 100 亿年寿命；如果质量是太阳的 0.6 或 0.8 倍，寿命就是 150 亿到 200 亿年。如果这样一颗恒星在大爆炸后不久形成，它今天仍然可以被观测到。Fridman 之前提过古老的光。这些恒星发出的光只有几千年的历史，与它们的年龄相比，几乎微不足道。对她来说，那光还很年轻。这些恒星位于银河系的外围，它们很可能不是在这里形成的。层级式组装意味着它们曾被吞并：诞生在一个小邻居中，被吸收，然后遗留在边缘。

这些矮星非常节俭。它们在核心里把氢烧成氦已经有 120 亿到 130 亿年，并将继续烧下去，太阳也一样。恒星的大部分气体从不与核心交流，所以外层的成分正是诞生时那团云的成分。Frebel 是一名恒星考古学家，她并不在泥土里挖掘文明的残骸。她寻找的是古老的恒星，因为它们在大气中保存了最初十亿年的信息。这是对早期化学所能有的最好观测。

这里有个注意事项：它们无法准确测定这些恒星的年龄。诀窍在于化学演化。在原始大爆炸混合物之后，第一批恒星把元素一路撒到铁。下一代中既有会爆炸的巨星，也有寿命很长的矮星。其他过程，比如中子星并合和奇特的超新星，从很早的时候起就在制造比铁更重的元素，一直到铀。Frebel 开玩笑说，几乎所有元素在第三天就已经准备好了。铁是每颗超新星都会提供的基准；金、银和铂则是调味料，她出于科学和个人两方面的原因喜欢它们。

大约一千代上下，太阳才形成。太阳是由大约一千次超新星爆炸富集过的气体形成的，这就是它拥有现在成分的原因，包括它的行星。每一代并不会凭空发明新的原子种类，直到铁。它只是把同一套元素再撒上一层。铁以后的重元素并不是聚变的产物，它们通过中子俘获（neutron-capture）过程形成，而这需要铁或碳等种子核。由于这些过程并不能在任何地方发生，一颗富含重元素的恒星在告诉你：当地发生过真正有趣的事。

我们观测到的古老恒星，是由已经污染了它们云团的物质形成的。Frebel 认为，有些是第二代恒星：气体只被一颗第一代恒星富集过。另一些则带有更复杂的重元素特征，也许是一颗第一代恒星、一次较普通的超新星，再加上一次中子星并合。工作在于理清：是哪些过程、哪些事件、以及多少次，产生了我们在 130 亿年后测量到的图样。含量极少，以至于一次普通的超新星就几乎已经过多。这就是区分第二代和第三代的方法。

她强调，宇宙中你永远做不到的事情是拿走东西。你只能加，没有宇宙吸尘器。黑洞最接近这样的东西，但它们吞掉的是整颗恒星，而不是气体中的金属。也许现在有十颗恒星所含的重元素少到必须是第二代恒星；否则它们是怎么形成的？还有一句她喜欢反复说的话：这些恒星里的元素，并不是恒星自己制造的。它们反映的是那团云的成分。“归根结底，我们并不真正关心我们观测的那些恒星，我们关心的是它们讲述的关于早期宇宙的故事。”

如今，Frebel 把元素特征与运动学结合起来，也就是看恒星如何在银河系中运动，以寻找它们来自何处的线索。这些古老恒星都位于银河系之中，却并不属于银河系的本体。谈话前几天，她与三名女本科生一起提交了一篇论文。他们发现了锶和钡含量极低的恒星，这两种重元素是特殊事件的标志。因为只能加，极低的丰度意味着最多只发生过一次这类事件，要么非常早，要么发生在一个非常特殊的环境中。

然后他们看了恒星的运动。这些恒星都朝着错误的方向运动。她说，原星系就像一个不知道自己要长成什么样的蜂巢。它为了快速长大而吞并小星系；有些随着流动而来，有些则逆向而来。这种情况只可能发生在很早的时候，那时还没有左右、上下之分。130 亿年后，这些恒星仍然在以每秒数百公里的速度这样运动。逆行运动是吸积的明显标志。如今不可能把一个星系逆向投进银河系；即使投进去，它最终也会调转方向。

这项合作源于 MIT 的一门新课程。Frebel 想不再要求学生先给教授写冷邮件。她把整个研究项目拆成十张工作表，让学生以两人一组报名，每组拿到一颗从未分析过的古老恒星，书后没有答案。她说，任何人都能算数，科学家的工作是从三块拼图中找出故事。有九人报名，其中八名女性。他们做得非常投入，她于是邀请他们继续工作，争取写成一篇论文。与同事交流时，她谈的是化学上最原始的恒星，而不是“最古老”的，因为她们测量的是丰度。她认为，这些低锶、逆行的恒星，必定是在银河系成为银河系之前就进入的最古老恒星之一。

天文学家很久以前就决定，把氢称为 X，氦称为 Y，其他一切都叫作金属，称为 Z。Frebel 喜欢对公众说，氖是一种很棒的金属，这让在场的化学家们感到惊骇。化学演化于是就成了这些“金属”的一个单调递增的函数。寻找金属丰度最低的恒星，就是沿着这个函数往回走，走向第一批恒星。原始大爆炸混合物之后，混乱开始了，而这种混乱演变成了今天的多样性。贫金属恒星的动物园已经相当鲜明，但还有一些古怪的图样依然无法归入。

她的两颗“宝贝恒星”分别叫 HE 1327-2326 和 HE 1523-0901，名字来自旧的坐标：负号表示它们位于南天。在会议上，同事们干脆叫它们“Anna 星”或“Frebel 星”，以免去记那串编号。HE 1327 是发现的第二颗第二代恒星。第一颗可能只是个特例；第二颗则表明搜寻方法是有效的。两颗恒星的碳相对于铁都极其丰富。铁通常是衡量金属丰度（metallicity）的参照。它们的铁含量远低于一次普通超新星应当抛出的量，而铁是不能被拿走的。第三星族（Population III），也就是第一批恒星，爆炸的方式一定与理论家们的假设不同。

日本的同事们构想出一颗较暗的超新星，它的能量不足以抛出太多铁，但随后他们还得解释为何碳却多出一千倍。公认的图景是一种回落机制：在爆炸过程中形成一个大质量黑洞，内层的铁落回去，而外层的碳则逃逸出去。在死亡之前，大质量恒星呈分层结构：外层是氢和氦，中心是铁核。铁的聚变不放出能量，于是恒星坍缩、反弹并被炸散。Frebel 认为，那些第一批恒星产生的碳，很可能让下一批云团冷却到足以形成第一批低质量恒星。如果碳的性质不同，也许就不会有长寿命的行星宿主；而我们本身也是碳基生命。“我们是由恒星物质构成的，”她说。Carl Sagan 说得对。地球上的生物进化，是由宇宙的化学演化促成的。

HE 1523-0901 是一颗附近的红巨星，铁含量没那么低，可能是第三到第五代。关键在于非常重的元素严重超标，其中包括可测量的钍和铀。钍的半衰期约 140 亿年，铀约 47 亿年，这些时间尺度对研究早期宇宙很有用。这些原子核来自快速中子俘获过程，即 r 过程：像铁这样的种子核被中子轰击，速度快于它发生 β 衰变，于是一直增重到超过铀，然后衰变为我们所知的稳定同位素。Frebel 说，整个过程在两秒钟内完成。在讲座中，她展示的模拟比实时更慢，与通常那种把 130 亿年的星系演化压缩成 30 秒的做法正好相反。

在哪里能找到这么多中子？中子星，也就是超新星的遗留物，常常成对出现。它们的轨道逐渐衰减，直到并合，爆发出的能量大致与超新星相当，但物理过程不同，会在时空中激起涟漪。2017 年，LIGO 和 Virgo 探测到了这样一次并合；望远镜发现了一个电磁对应体，它在两周内逐渐变暗，那是重核衰变到稳定态时的光变曲线。这证实了中子星并合是 r 过程的一个场所。就在一年前的 2016 年，Frebel 和她的前研究生 Alex Ji 发现了超微弱矮星系 Reticulum II（网罟座 II），它仍绕银河系运行，里面充满了古老的贫铁恒星，并且带有与 HE 1523 相同的强 r 过程特征。他们原本是去找相反的东西：她们以为早期恒星形成的典型特征是低锶、低钡。

这些恒星仍然在它们的原生星系中，因此环境是已知的。Frebel 推断，一次早期的中子星并合污染了气体。超微弱矮星系可能只有几千颗恒星。再电离（reionization），加上浅引力阱中的几次超新星，把它们的气体吹散或蒸发了，所以它们此后再没有形成过恒星。对恒星考古学家来说，这是一份礼物：一整个族群原地等待。银河系晕中的恒星更亮，因此光谱质量更好，HE 1523 的铀探测正需要这一点。而矮星系则提供的是关于发生地点的限制。理论学家可能会说，把一百次超新星叠加起来，就能建立 r 过程的产额。Frebel 回答说，这个矮星系仍然完好无损；五次或十次超新星就会把它炸散。这就是这个系统是否还活着如此重要的原因。

Frebel 主要使用智利的麦哲伦望远镜，其主镜直径 6.5 米，搭配一台效率异常高的光谱仪，以弥补口径不足 8 米的缺憾。她是光谱学家，并不拍照片。新冠疫情前，麦哲伦望远镜是天文学家仍然亲自前往采集数据的少数地方之一。现在大多数天文台都由工作人员代为操作，这很方便，但她认为，这样就抽走了工作中核心的一部分。没有什么仪器放在地下室里。你要去一座偏远的山顶，等待日落，然后收集光子。在对暗矮星系恒星进行的 45 到 55 分钟曝光期间，她曾在外面走动，像在雪地里摆出天使造型一样躺下，仰望南天的银河，感到自己属于这里，而不是觉得自己渺小。在那样黑暗的地方，你可以在星光下行走，几乎能看见影子。

光谱就像用棱镜做出的彩虹，而不是雨滴：一条带有凹陷的弯曲线，颜色里缺失了一些黑色的线。你所看到的只是恒星表面。那里的原子会从炽热的核心吸收特定的光子，每一个凹陷的深浅说明了是哪种元素以及有多少。太阳光谱是一团重叠的线。古老的贫金属恒星几乎是一条平直的连续谱，偶尔带有条形码，这里有铁，那里有碳、镁，以及一点点锶。模拟恒星大气的程序会把这些等效宽度换算成丰度。在望远镜前，她会花 10 到 15 分钟快速看一眼，处理一张关键谱线的摘要图，然后像看茶叶一样判断：竖起大拇指还是拇指向下。她现在在客厅里通过 Zoom 就能完成这件事。搜寻是一场数字游戏，起点是数百万颗恒星。导师常说：一颗是一个发现，两颗是一个样本，三颗就是一个族群。

最贫铁的恒星，它们的谱线几乎淹没在噪声里。你在寻找最后那一点可以探测到的虚无，但如果真的什么都没有，你得到的只是一个上限。目前的纪录保持者依然只是一个上限。误判包括白矮星（white dwarf）：它们已经失去了大气，如果你漏看了它们略宽的氢线，它们就会冒充贫金属恒星。心碎有时可能只是你好不容易拿到观测时间后，接连三个阴天。Reticulum II 那次更糟：一名学生凌晨两点打来电话，确信自己观测到的是错误的恒星，因为一条铕线看起来富含金属。那是首个富含 r 过程元素的星系，事先并没有被预料到。天气越来越差，目标即将落下，他们将再也等不到下一个窗口，要等九个月。他们险险地在糟糕的数据中取得了九颗最亮恒星的观测结果。增强效应如此之强，以至于它从噪声中突出了出来。如果它再温和一些，他们就只能什么都不说。那天晚上 Frebel 没怎么睡。

Frebel 对 JWST 很兴奋，甚至还参与了一两项申请，但她不打算把它作为主要工具。她和 JWST 团队希望从篱笆的两侧来获取最初十亿年的信息：她拥有幸存的恒星以及它们所暗示的故事；他们捕捉的是最早的光子和能量状况。二十年前，第一颗第二代恒星还只是偶然发现，而恒星考古学已经填补了一幅几乎空白的画布。单个 10 西格玛的发现正变得越来越少；如果它们很容易，早就已经被找到了。再找到一颗第二代恒星不会改变局面；找到 50 或 100 颗也许才会。大型光谱巡天即将到来，她热爱的那种一颗一颗手工培育的研究领域即将改变。她仍然想要一千块拼图中最后的几块，而不只是宏观图景。她说，关上一扇门，就会打开十扇新门。

恒星无法探测它们形成之前的情况，所以它们本身无法解释大爆炸。HE 1523 中的钍和铀给出的尽力估计年龄是 132 亿年，这是几个元素比值的平均值，而其中单独一个比值给出的是 150 亿或 100 亿。在模型内部，150 亿年是正确的计算结果；但如果宇宙是 138 亿年，那就是无稽之谈。她告诉学生，物理学家的工作是拿着数学，并问它是否说得通。关于大爆炸，我们已经不知道什么才“说得通”，所以数学或许比物理走得更远，不加判断地，甚至走进额外维度。她的光只走过了几千年；JWST 的光则走过了约 130 亿年。那些古老的恒星依然活蹦乱跳，但它们并不是理想的度假胜地：行星需要重元素，而宇宙花了几十亿年才制造出足够多的重元素。

她的书着重介绍了那些没有立即获得认可的女性。大约一个世纪前，哈佛计算员（Harvard Computers），也就是那些以低薪受聘、从事耐心工作的女性，梳理了当时的大量数据，依然做出了发现。Annie Jump Cannon 把数千条光谱分类，形成了至今仍在使用的温度序列。1925 年，Cecilia Payne-Gaposchkin 证明太阳主要由氢和氦组成，而当时的假设是天体与地球相似；她的论文后来被称为人类历史上最重要的论文之一。Marie Curie 发现了镭和钋。Lise Meitner 在 1938 至 1939 年计算出的核裂变，是理解 r 过程裂变循环的基础；她被提名诺贝尔奖超过四十次，却从未获奖。Frebel 来自德国，后来写过一部 25 分钟的独角戏，她在剧中扮演 Meitner 的发现，然后在一场 30 分钟的公开演讲中转为自己，讲 r 过程。这是一场跨越一百年的接力，论文中从来没有记载，因为期刊总是把结果端上金盘子，却跳过了你找到车钥匙的那一刻。

被问到恒星天文学中最美的想法时，她描述了在澳大利亚的一场讲座上坐着时的顿悟：老恒星把恒星、元素和核物理结合在了一起，而她以前并不知道如何把它们连接起来。二十年后，她觉得自己中了彩票。她对年轻人的建议是：不要把所有鸡蛋放在一个篮子里。选择太多，会让人累得无法做决定，还担心错过其他 99 件事，而生活总是错过 99 件事。要专心在一件事上一段时间，用心也用手去做。机会如果不去行动，就什么也不是。谈到意义，她指出，生物进化需要化学演化，而碳扮演了主角。我们可能是物理定律以及太阳周围局部条件的结果。她喜欢这种想法，因为这样它就能在其他地方被重现；纯粹的偶然对科学家来说并不真正令人满足。Fridman 把这比作“下面全是乌龟”。Frebel 同意。她研究过一些位于最底层的最古老的“乌龟”，它们活得相当长久。