今天的太阳系和宇宙中的其他地方一样,我们不可能知道所有发生过的事情。当我们观察今天所看到的一切时,有很多细节都已经消失在宇宙的历史中。但是,宇宙也为我们提供了足够的线索,我们可以得出许多合理、有力的结论。我们经常说太阳是第三代恒星,甚至有人认为是第二代恒星,那么太阳到底是第几代恒星呢?
目前来说虽然我们还不是很确定,但我们知道太阳至少是第三代恒星!那么我们是如何根据已知的理论推断出这个结论的。
通过重元素的含量对恒星的分类当天文学家对恒星进行分类时,通常会把恒星分为三类:第一类、第二类和第三类恒星。第一类恒星和我们的太阳一样称为星族Ι。这类恒星的光谱具有很强的吸收特征,这些特征也表明恒星大约1%的质量是由重元素组成的,也就是除了氢和氦之外的原子核。
第二类恒星是星族II:这些恒星的光谱吸收特征要比第一类弱的多。原因是它们质量的一小部分(约0.1%或更少)是由比氢或氦重的元素构成的;这说明这些恒星基本上没有受到前几代恒星爆发后的重元素污染。
到2019年,星族Ⅲ恒星只在理论上存在,目前并没有在宇宙中发现还存在这样的恒星。在早期的宇宙,物质由99.999999%是氢和氦组成,而最早形成的恒星都是一些是绝对不含重元素的原始恒星。
在地球上,我们把碳、氮、氧、磷、硅、硫和铁等元素视为“生命要素”,但对于宇宙来说这些元素都没称为“重金属污染”。
宇宙早期的元素种类以及比例在宇宙的最初阶段,宇宙高温、致密,充满了粒子、反粒子和辐射。在温度最高的时候,各种粒子有足够的能量会自发地产生物质-反物质对。但随着宇宙膨胀和冷却,宇宙失去了制造新粒子对的能量,因为如果能量E大幅降低,宇宙就再也不能通过爱因斯坦的E = mc^2来创造新的质量粒子。而之前形成的正反粒子对会全部湮灭,由于物质比反物质多,宇宙会剩下稳定的物质粒子(质子、中子和电子)。
从质子和中子开始,宇宙快速形成氦-4,还形成了少量但可计算的氘、氦-3和锂-7。
早在第一颗恒星形成之前,质子和中子就在早期宇宙的高温、稠密的熔炉中经历了第一次核聚变反应。在热大爆炸开始后的几分钟,宇宙已经冷却、膨胀到核反应无法继续进行。从早期阶段,宇宙就为我们留下了原始丰富的原子核:
- 其中75%是氢原子核(普通质子),
- 其中25%是氦原子核(两个质子和两个中子),
- 大约0.01%氘(一个质子和一个中子),
- 大约0.01%的氦-3(两个质子和一个中子),
- 大约0.0000001%的锂-7(3个质子和4个中子),
这些元素的种类和含量将会已知维持到第一批恒星诞生之前。