第2章
星與星系：節點二和三

人類是星體物質構成的。

——哈羅·沙普利（Harlow Shapley），《來自遙遠星體的景觀》（View from a Distant Star）

大爆炸為我們帶來了宇宙，但在此后的幾千萬年里，宇宙的結構卻超級簡單。不過，在這簡單平靜的背后，許多新的有趣的可能性卻正在萌生，終于有一天，滿天的星辰、星系開始照亮夜空。此時，我們的故事又多了一整套的新角色，它們各有新特征和新的復雜性，可謂引領宇宙穿越了第二個復雜性不斷提升的節點。但要說明這許多新的星體是如何生成的，我們還需回到最初。

驅動復雜性生成的自由能

宇宙大爆炸后的幾秒鐘至幾分鐘，整個宇宙的溫度急劇下降。其間有幾個星光璀璨的時刻，宇宙中的能量足以生成或毀滅各種新奇的能和物的形態。但由于溫度急劇下降，有些形態的能和物就凝結成幾種簡單的結構。在大爆炸的熔爐中，力和粒子像陶瓷一樣穩定下來。狂躁的能量遵循少數幾個運作規則造就了質子和電子一類的結構，這些結構非常穩定，因為溫度趨降的宇宙很難再產生當時制造這些結構所需的溫度。

此后，宇宙溫度下降的速度減緩，就好像已經從溫度的高峰跌到了谷底一樣。此時的溫度梯階趨于平緩，不再出現陡降，所以變化的速度也出現銳減，就好像來到了起伏有致的丘陵地帶，溫度也時升時降。此時的新結構也很難被鎖定，因為結構遭遇少許的升溫就解體了。比如，原子在新興的星體內在溫度達到一萬攝氏度以上時就會發生解體。

在這種不大可預測的環境中，復雜的結構需要額外的加固才能穩定下來。而這種加固還要靠控制下的非隨機能量流動（controlled,nonrandom flows of energy）。恒星是由內核處發散出的能流得以維持的；生物體，包括你和我，能夠維持下去靠的是細胞內復雜的新陳代謝所提供的精準的能流；而在大爆炸后的宇宙，也要靠做功才能建造并維持復雜的結構存在。正因如此，凡物的形態、復雜性及有指向性或結構化的能流（structured flows of energy）之間存在著深刻的聯系。

結構化的能流是一種頗為直觀的描述，而非科學界的術語。這里想說的是：熱力學理論對兩種能流進行了區分，即完全隨機的能流和有方向、有結構、首尾貫通的能流。結構化的能流稱作自由能（free energy），非結構化的能流則稱熱能（heat energy）。這一劃分當然不是絕對的。其實這里只是一個貫通或隨機的度的問題。但無論怎么說，區分自由能和熱能對我們的起源故事卻是至為根本的。

熱力學第一定律認為，宇宙中能的總量是不變的，且保持恒定。我們的宇宙從問世起，其造成事物生發的潛勢似乎就是固定的。所以，熱力學第一定律其實想要表達的是原初時代的多種可能性。熱力學第二定律稱：從原初多種可能性中萌生的物質多少都呈現出某種結構，就好像溪水中的漣漪。但隨著時間的推移，大多數的物質都會變得更少結構化。這是因為物質和能量的大多數可能組合的結構性都很弱，所以即使偶然有結構，其趨勢也是迅速衰敗。

瀑布就是一個很好的例證。瀑布很有型，但最終會耗散殆盡。瀑布頂端的水分子并非隨機運動，而是像氣罐中的分子一樣，都向同一個方向進發，又像戀愛中的貓，彼此貼得越近越好。這是因為，不同于普通單個行動的空氣分子，瀑布中的水分子被電磁力裹挾，引力于是將其緊密地聚攏到一起且朝同一方向運動，如同行進中的一隊士兵。水從瀑布頂端飛濺直下，此時勢能便轉化成動能。水分子協調一致，朝一個方向運動。此時的運動是結構性的，我們可以把造成這一運動的能量流稱作自由能。自由能不同于空氣分子的隨機熱能就在于前者能做功，原因是它有型有結構，能夠把物朝一個方向推動，而不是隨意任何一個方向。如果有必要，就可以導引這種自由能通過渦輪機發電。自由能是造成事物生發的那種東西，其移動快捷、勢不可擋，是我們整個起源故事的驅動器。

但不同于一般意義上的能，自由能很難保存，因為它很不穩定，就像伸展的彈簧。自由能做功的時候，就失去了自身的結構，用完了也就完了。如同瀑布頂端的水砸到底端的巖石上，旋即變成了分散的、不再整齊劃一的熱能。單個的分子彼此大致獨立地搖擺著。能當然還在那里，還是守恒的（也就是熱力學第一定律），但分子朝多個方向推動，這樣就不再能夠驅動渦輪機了，因為此時的自由能已經轉化成熱能。根據熱力學第二定律，所有的自由能最終都會轉化成熱能。

熱能就像喝醉酒的交警，胡亂指揮著能的車輛，結果只能是制造更多混亂。而自由能可被比作神志清醒的交警，指揮能的車輛沿著某些特定的路線前進，所以創造出秩序。對我們來說非常幸運的是，早期宇宙確有一些自由能存在，而且依據宇宙最基本的規則在運行。這些規則把能向某些特定的非隨機的路線導引，確保了少量卻至為根本的結構存在。

星系與恒星：節點二

正是自由能驅動了最初的大型結構涌現，也就是星系和恒星。此時最重要的自由能是引力。就像宇宙的牧羊犬一樣，引力喜歡把萬物糾集成群。此時被糾集成群的萬物正是宇宙大爆炸后出現的簡單物質。引力與物質一道制造了最初恒星和星系涌現的金鳳花條件。

科學家對宇宙微波背景輻射的研究表明，在宇宙形成早期，大尺度的結構還非常罕見。我們可以設想一下：一層輕巧的氫原子和氦原子薄霧漂浮在充滿光子的暗物質溫暖浴缸中會是什么樣子，此時浴缸的溫度大致均衡。我們已經確知，早期宇宙均質化程度極高，因為通過衡量宇宙微波背景輻射的溫度差異，我們會發現宇宙中溫度最高的地方比溫度最低的地方也不過僅高出0.01℃。此時還不存在可用的溫度梯階（temperature gradients），不存在可以造成新結構的能量勢差。現在你可以用手快速揉擦臉，如此造成的溫差都要比那時的溫差大得多。

不過，此后引力開始對這種毫無希望的物質進行加工，然后的故事就有意思了。大爆炸作用的方向是把空間盡力推開，而引力卻努力把能量和物質往一起拉。

引力的概念在牛頓對宇宙的理解中至關重要，而且是引發科學革命的一個綱領性概念。牛頓在1687年出版的《自然哲學的數學原理》（Philosophiae Naturalis Principia Mathematica）一書中對引力原理進行了詳細的論述，這部書也因此成為人類歷史上最重要的科學著作之一。牛頓認為，引力是所有物質相互吸引的一種力。250年后，愛因斯坦又證明了：能實際上也會產生引力，因為能畢竟是物質生成的質料。

此外，愛因斯坦還預言：引力其實是某種形式的能，所以，就像電磁力或聲一樣，引力應能產生波。但愛因斯坦擔心這種引力波會非常弱，以至于人們根本無法測量出來。2015年9月，真正的科學奇觀出現了：人類終于發現了引力波！而且是兩次，一次是在美國路易斯安那州，一次是在美國華盛頓州，兩次都是通過激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，或簡稱LIGO）。2017年，有三位對此做出重大貢獻的科學家被授予諾貝爾物理學獎。此次發現的引力波是大約一億年前產生的，當時有兩個黑洞在距離我們很遠的南部某個星系發生了碰撞。（那時恐龍還主宰著我們這個星球呢！）科學家在地球上將光束一分為二，然后沿兩個臂長4 000米的LIGO探測儀垂直發射，探測儀的兩端都安裝有反射鏡。這樣，當光束完成約300次往返運動后，卻未能同時抵達原點。原來，是微弱的引力波將一個方向發射出的光束拉長了，而另一個方向的光束則被縮短，其間的差別比一個質子的直徑還要小。由此，天文學家了解到引力波的存在，科學家希望憑借這一認知能夠以更新穎的方式研究宇宙。

從引力的角度看，早期宇宙太過平滑了，因為其演化過程中本該有叢簇的現象發生。引力有一種重新構架宇宙的趨勢，而這也正是我們覺得早期宇宙的熵頗低的原因，低熵就意味著更為整齊劃一；此后的數十億年則見證了熵增的過程，也就是宇宙變得更混亂。引力一旦介入，只需幾億年的時間，就把原本平滑整齊的早期宇宙變得異常混亂，造成了叢簇疊生的恒星和星系。

正如牛頓指出，物質的質量越大、密度越高，其引力就越大。所以地球的引力就比你我都要大，而且越遠離地球表面，比如身處國際空間站，來自地球的引力也越發微弱。現在我們把早期宇宙設想成一個立方體。立方體中的暗物質和原子會自發地運動，導致某些地方比其他地方密度更大。根據牛頓定律，我們可知物質在密度大的地方肯定比密度小的地方引力會更大，而且隨著時間的推移，二者之間的差異會增大。就這樣，數百萬年后，引力使宇宙中充滿了更多的斑點和叢簇。

引力把原子拉得更加緊密，原子彼此碰撞的概率就越大，且搖動得也越發狂亂。這樣一來，物質叢簇集合的地方溫度會升高，原因是更多的熱量被積聚到了狹小的空間。（同理，人們給輪胎打氣的時候，其內部的溫度也會升高。）整體而言，宇宙的溫度在降低，但物質聚集的地方卻開始升溫。終于，在某些地方，溫度上升到質子不再能綁縛電子的程度；此時，原子開始解體，并在叢簇物質的核心地帶重新制造出帶電的等離子體，正如遍布早期宇宙的帶電等離子體一樣。

由于引力造成的壓力疊加，物質密實的地方變得密度更大，其核心也更熾熱，于是在這些地方重現了早期宇宙的巨大能量。大約在1 000萬攝氏度，質子就有足夠的力量克服正電荷彼此之間的斥力，而一旦突破此障礙，質子就會在巨大核力的驅使下兩兩結對，當然，這種核力作用的力矩都很短。質子對繼而形成氦核，正如大爆炸之后不久曾短期出現過的那樣。

質子聚合期間，其中的部分物質會轉化成純能量，正如我們此前看到過的，這時候，哪怕極微小的物質也蘊含著巨大能量。氫彈爆炸會釋放巨大的能量，其原理正如恒星生成一樣，是通過核聚變完成的。所以說，一旦物質團的溫度達到了節點的大約1 000萬℃，就會有數萬億的質子聚合而成氦核，形成一個釋放巨大能量的大熔爐。而一旦點燃，且有足夠的質子持續發生聚合，大熔爐也就會持續地燃燒下去。

聚合釋放出的熱能會造成物質的核心發生膨脹，從而拒斥了外來的引力。這種新的物質結構常常會持續穩定長達數百萬年，甚至數十億年。這樣，一顆恒星就誕生了。

有了星系和恒星的宇宙

但恒星卻并非僅有一顆，事實上，在每個物質叢簇聚集的地方，都有數十億顆恒星。此時，我們所謂的星系開始閃耀，照亮了青年宇宙的夜空。

宇宙中有了星系和恒星，便與早期只有原子的宇宙大為不同。此時的宇宙在較大和較小的尺度上都已具有結構性，我們可以說整個宇宙變得更復雜了。星系間是黑暗、空洞的空間，而星系內部則有閃亮的、致密的區域。星系里充盈著致密的物質和能量，而星系間極其寒冷且空蕩蕩的。但此時宇宙中的物質不再像當初一樣宛若均勻飄動的霧，而是成片成團地凝結成星系，其形狀就像蜘蛛編織的一張網。每個星系的結構都各具特性，但大多數是螺旋形的，就如同我們身處其中的銀河系，而且每個星系的周圍往往有數十億顆恒星在緩慢圍繞著核心運行，這核心通常是一個密度極高的黑洞。星系彼此發生碰撞后，通常會扭曲成“不規則星系”（irregular galaxies）。星系當然也是依靠引力聚合成團的，內部圈圈環繞，密密匝匝，以至于在宇宙中最終形成一個類似巨型群島的架構。

散落在宇宙之中的眾多恒星，就像冷布丁中的葡萄干，其實每顆都具備高結構性和很多新涌現出的特性。每顆恒星都有一個熾熱的內核，在此實現質子的聚合，從而產生足夠的用以對抗引力的能量。緊貼著內核處，是一層向內擠壓的外核物質，后者為內核燃燒提供質子燃料。恒星的壽命主要取決于其初始形成之際自身的質量。巨型恒星會產生巨大的引力壓力，所以其散發的熱能要比小型恒星多得多。因此，巨型恒星往往在幾百萬年的時間里就油盡燈枯，而質量較小的恒星燃燒要慢得多，所以后者的壽命甚至比目前宇宙的壽命還要長很多。

宇宙之中物質的多樣化構成意味著多樣化的環境、更大創造力和花樣翻新的能量梯階，其中有光度梯階、溫度梯階和密度梯階，自由能從梯階的高端流下，恰如飛流的瀑布。每顆恒星都向外圍寒冷的空間傾瀉自身的熱能，其中有熱流、光流和化學能流，而這些都可以被用來在恒星附近的地區制造新式的復雜實體。地球上之所以能夠生機盎然，就是因為這種自由能的流動。

引力催發物質演變成恒星，質子在壓力下克服正電荷彼此相斥的力實現聚合，這一過程在此后的歷程中會反復出現。這有點兒像早晨喝了一杯咖啡，然后你就有了外出工作的動力一樣。化學家通常把這一初始賦能的行為稱作“活化能”或“激活能”（activation energy），就像點燃的火柴引發大火一樣。其原理正在于：某一種能量發生變化，從而引發遠高于活化能的自由能流動。在恒星生成的過程中，引力最先提供了質子聚合的活化能，然后是恒星形成，再后是一系列其他的變化。

但這里有一個問題：熱力學第二定律還起作用嗎？熵既然痛恨結構，那它為什么還要讓更復雜的結構成型呢？

如果仔細觀察能流，我們會發現諸如恒星之類的有型結構為保持自身的復雜性付出了多么沉重的代價。我們先看質子聚合釋放出的能量。在此，能所做的第一件事是把恒星支撐起來，也就是要防止恒星塌陷。這就像是給熵交了一定量的押金，或稱作復雜有型稅（complexity tax）。而恒星一旦不再能夠釋放能量，也就自然塌陷了。復雜有型稅的概念可以解釋著名天體物理學家埃里克·蔡森（Eric Chaisson）觀察到的現象，即：一般說來，物質的表現越復雜，支撐其存在的能流就越多，甚至可以精確到每秒每克物質的耗能量。比如，根據蔡森的估計，在現代人類社會中流動的自由能要比流經太陽的自由能密度高大約100萬倍，而流經其他各類生物的自由能密度則居于上述二者之間。也就是說，凡物欲變得更復雜，熵必然要求其中有更大的能流；反過來說，凡物復雜了，則必然也已找到足夠量的自由能流維持其存在。所以，也難怪更為復雜的實體難以制造和維持，而且復雜實體要比簡單實體更容易發生崩潰。這一觀念是現代創世神話的核心線索，其對現代人類社會的啟示亦可謂寓意深長。

熵很喜歡這種交易，因為支撐恒星的自由能，正如瀑布中水的勢能，在釋放到太空之后，終將貶值。因此，恒星變得越復雜，其降解自由能的力度也就越大。事實上，整個現代起源故事都貫穿這一主題。復雜性的提升并非戰勝了熵，正相反，支撐復雜實體（包括你和我）的能流正幫助熵實現打破一切秩序與結構的蒼涼計劃。

新元素與不斷提升的化學復雜性：節點三

大爆炸后的10億年，宇宙就像一個半大的孩子，行為舉止已變得十分有趣。不過從化學的角度看，宇宙還是相當枯燥無趣的，因為那時的元素只有氫和氦。而到了我們所說的第三個復雜性提升的節點，新型的物質出現了，即元素周期表中所有其他的元素。宇宙有了90多種不同的元素，其可做的事情也就多多了。

宇宙之所以最先制造出氫和氦，是因為這兩種元素最簡單。氫核中只有一個質子，所以被標記為元素1；氦核中有兩個質子，所以標記為元素2。大爆炸后38萬年宇宙微波背景輻射出現時，宇宙中還有少量的鋰（元素3）和鈹（元素4）存在，僅此而已。這些就是宇宙大爆炸制造出的四種元素。

宇宙制造更多元素的金鳳花條件相對簡單，即足夠量的質子和足夠高的溫度，而這種條件在大爆炸后相當一段時間內并不存在。只是后來，伴隨眾多瀕死恒星再無法償付熵索要的復雜有型稅，在倦怠、蹣跚和內外交困中最終崩潰，從而釋放出巨大能量，上述條件也就自然具備了。

要弄清為何恒星在瀕死時會制造出新元素，我們還要先了解一下恒星是如何維系生存和走向衰老的。

恒星的壽命從數百萬年到數十億年不等，所以人類根本無從觀看恒星走向衰老。正因如此，僅靠裸眼觀察太空的古“天文學家”們絕無可能講述我們現在講述的恒星生滅的故事，比如瑪雅人、蒙哥湖畔的智者或古希臘人。現代人對太空的理解是基于近兩個世紀全球范圍的大量科學研究和觀察數據，這樣，天文學家們才可能分享數以百萬計的恒星的信息，而這些恒星均處于各自壽命的不同階段。正如英國天文學家亞瑟·愛丁頓（Arthur Eddington）所戲稱的那樣，從事天文學研究就像漫步在一片森林之中，眼前的樹木有的嫩芽初放，有的成熟參天，還有些古樹真的行將枯萎。研究處于生命不同階段的樹木，我們自然會弄清楚它們是如何成長、成熟，直至最終死亡的。

天文學家們有一個最基本的涵括眾多恒星信息的圖譜，這就是赫羅圖（Hertzsprung-Russell diagram）。它相當于天文學家的地球儀，就是那種學校教室里常見的地球儀，憑借它，很多零碎的信息就有了更多意義。

赫羅圖大約是在1910年創制的，它將所有的恒星依據兩種最基本的特性進行了分類。第一個特性是恒星的亮度或光度（luminosity），在赫羅圖上標記為縱軸，也就是相對于太陽，該星體向太空發散的能量總和。第二個特性是恒星的顏色，從顏色就可以看出其表面溫度，通常以開（K）計，在赫羅圖上通常標記為橫軸。由于這兩種特性在恒星的生命周期會發生變化，所以赫羅圖實際上能夠讓我們認清多種恒星經歷的歷程。不同恒星生命軌跡最大的差別主要取決于另外一項統計數據——星體質量的大小。較大恒星的歷程自然不同于較小恒星的歷程。

在赫羅圖上，最亮的恒星，即那些放射出最多能量的恒星，比如參宿七，均在圖的頂部，而且這些恒星通常體積也最大。而光度最小的恒星，如比鄰星，均在圖的底部。太陽（光度為1）在圖中居于中部。在圖中，恒星表面溫度最高的均靠左邊，而表面溫度較低的則靠右邊。

赫羅圖有三個很有意思的區域。橫跨該圖，從右下部到左上部彎曲的點狀集團為主星序。大多數恒星生命周期中的90%都在主星序的某個點上，其具體坐落于哪個點取決于恒星的質量，而主星序上所有的恒星均能產生足夠的能量以把質子聚合成氦核。太陽目前正在做的正是制造氦核的工作，所以說太陽已處于中年，仍在主星序上。赫羅圖的右上部是紅巨星地帶，比如參宿四，處于獵戶星座（Orion）的一個角落。這里的恒星均年事已高，核心部位的質子差不多用完了，靠燃燒其他較大的原子核勉力維持火爐不滅。其表面溫度已經有所下降，因為它已膨脹至太陽半徑的差不多200倍大。但這類恒星發出的光卻異常強烈，原因是它們的體積大，所以居于赫羅圖的頂部。赫羅圖中的第三個重要區域是左下部，這里是白矮星的地帶。白矮星曾屬于紅巨星，只是后來失去了外表層的大部，最后只剩下熾熱的、致密的內核。

一旦恒星垂垂老矣，最終會耗盡自身的自由質子，其內核部也逐漸堆積起燃盡的質子灰燼，換言之，氦核。要實現氦核的聚合就需要比聚合質子高得多的溫度，所以恒星內核處最終會停止燃燒。而一旦燃燒停止，引力就占了上風，恒星便會在自身重力的壓迫下最終塌陷。但故事并非就此結束。恒星塌陷后，在引力的擠壓下，其溫度會再次升高。恒星的外部表層也會因此膨脹，溫度則又降了下來，從而以此維持自身的平衡。對人類而言，這種恒星的外部表層呈紅色，所以被稱作紅巨星。而一旦太陽到了這個階段，就會膨脹至其目前體積的200倍左右，而太陽系內的行星，包括地球，都會因此而灰飛煙滅。

如果紅巨星的質量足夠大，其內核處在引力的擠壓下會變得異常熾熱，足以把氦核聚合成更重的元素，比如碳（有6個質子）和氧（有8個質子）。此時的恒星可謂是經歷了一場復活，只不過聚合氦核要比聚合質子復雜得多，且產出的能量也較少，所以說恒星到了這一階段，其壽命也就不多了。巨型恒星要經歷好幾次這樣劇烈的膨脹和收縮。碳和氧也聚合成更重的元素，從鎂至硅，最終是鐵。伴隨恒星升溫，另外一種生成機制開始介入，把部分中子轉化成質子，從而制造出更多新元素。恒星的核心會逐漸變成一個巨大的鐵球，外面包裹著由其他元素構成的多重表層。

但至此，恒星就不會再有發展了，因為不能一直靠聚合鐵元素產生新的能量。所以最終，大多數恒星會把外面的多重表層炸掉，從而成為白矮星，也就是赫羅圖底端左部所見的恒星。白矮星可謂星界的僵尸，因為其核心處已不再有燃著的火爐，其自身密度極高，通常有地球大小，但質量卻有太陽那么大。如果你試圖用勺子舀起一匙白矮星物質，那定然是徒勞，因為這一匙至少有4噸重。不過雖說是僵尸，白矮星卻依然熾熱，要真正冷卻下來可能需要數十億年。白矮星已完成自身的任務，即使周圍充滿了各種新元素。有些白矮星的死亡更為壯烈：與附近的星體發生碰撞，從而引發超新星大爆發。這種大爆發會產生極高的溫度，所以能夠制造元素周期表中的眾多元素。通過大爆炸圓寂的白矮星會制造出所謂1A型超新星。這種大爆發都是在相同溫度下發生的，所以一旦能夠確認大爆發及其亮度，就可以據此估算星體與地球的距離。天文學家利用1A型超新星能夠估算出比使用造父變星進行估算遠數百倍的星體的距離。

相當于太陽質量7倍左右的恒星以另一種爆發的形式走向死亡，這種爆發被稱為核心坍縮超新星（core-collapse supernova）。恒星的內核塌縮成比太陽還要大的鐵球時，內核處的火爐將最后一次熄滅，隨之，引力會以極快的速度和力度擠壓鐵球，從而產生極大的能量和極高的溫度，甚至超過該星體有生之年的最高值。此時，星體會瞬間發生超新星大爆發，其瞬時噴發的能量甚至是當時星系的總和。僅僅幾分鐘的時間，這種超新星爆發就制造出元素周期表中其余的眾多元素并將其噴灑至空中。這種核心坍縮超新星最有名的例證是蟹狀星云（Crab Nebula）的形成。參宿四在此后100萬年間也會發生超新星大爆發。

大多數通過超新星爆發剝離了外表層的紅巨星會劇烈地收縮，其間會有大量質子和電子被糅合成中子。這樣，整個星體就被擠壓成中子星（neutron star），即由中子構成的星體，其中中子的密度就像原子核中的粒子一般。這種高密度的物質存在頗不尋常，因為即使在原子中也存在大量空間，所以一顆中子星，哪怕只有20千米的直徑，其重量卻是太陽的兩倍，而一匙中子物質足有10億噸重。現有證據表明，元素周期表中許多重元素非常有可能并非是在普通的超新星爆發中形成的，而是在劇烈的中子星碰撞合并中形成的。

中子星旋轉的速度極快，就像發出警告時用的信標，1967年，人們首次發現中子星就是因為這種快速的閃光。旋轉的中子星被稱作脈沖星（pulsar）。第一顆脈沖星被發現之后不久，又有一顆在蟹狀星云的核心處被發現，后者是一次超新星大爆發的遺留物，中國天文學家1054年對此曾做過記錄。這顆位于蟹狀星云核心處的脈沖星差不多有一座城市大小，每秒轉動達13次之多。

不過，對于大多數巨型恒星而言，還有一種更為奇幻的結局：其核心部位會發生強烈的向心聚爆（implode），這時候，塌陷簡直無可避免，于是，星體變成了黑洞，也就是目前人類已知的密度最高的物質。愛因斯坦曾預言過黑洞的存在，即一種至密物質，其引力之大，甚至連光線都無法從中逃脫，也正因如此，我們迄今對黑洞內部究竟怎樣尚知之甚少。黑洞可謂太空中的怪物，但我們有充分證據表明黑洞是真實存在的。宇宙中最初形成的恒星可能都異常巨大，因此，其中可能有許多已變成黑洞，而這些黑洞可能是后來星系形成的基礎，就像眾多沙礫拱衛著珍珠一樣。如今，天文學家們已經在大多數星系中探測到黑洞的存在，包括我們身處其中的銀河系。黑洞的引力非常巨大，足以把附近的恒星吞入腹中。恒星一旦接近黑洞的邊界，哪怕是黑洞的“事件視界”（event horizon），都會伴隨一聲凄厲的慘叫而噴射出自身最后的巨大能量。這種瀕死的哀鳴造就了異常明亮的星體，后者被稱作類星體（quasar）。

黑洞的邊界，或稱“事件視界”，是有去無回的一個轉折點，也是我們人類知識的一個極限，因為任何信息都難以逃離黑洞的魔爪。我們可以大致估算出構成黑洞的星體的質量，甚至包括其旋轉的速度，但僅此而已。不過，斯蒂芬·霍金稱，確有微妙的量子效應使得少許能量從黑洞中逃逸出來。也許還有部分信息會從黑洞中逃逸出來，但即使如此，我們還沒有掌握解讀這類信息的技術呢！

就這樣，垂死的恒星以各自不同的方式豐富了年輕的宇宙，使其更加多姿多彩。而元素周期表中的各種元素，一旦在垂死的恒星和超新星爆發中形成，便會在星際不斷聚集，由此，原子聚合而成簡單的分子，而分子經過類似發酵的過程，就會進而形成新形式的物質。

天文學家憑借多種技術，已經確認了遠離地球數百億光年之遙的多種星體的構成，正因如此，我們對恒星才有了上述了解。從上述可知，天文學家們是從星光中獲取了海量信息。不過，光亮只是恒星和星系噴射出的能量的很小一部分。現代望遠鏡已能讓天文學家接觸到所有頻段電磁波的能量發射，從波段最長且最為懶惰的無線電波（radio waves）到波段最短且異常活躍的伽馬射線（gamma rays）。而現代大型計算機可以對這種海量信息進行非常精確的處理。如此，再加上各種空間望遠鏡，比如哈勃望遠鏡，足以使天文學家在不受地球大氣層扭曲干擾的情況下觀察宇宙。借助這種現代科學儀器，人類對整個星系環境的認識有了突飛猛進的發展。

舊式的儀器，比如光學望遠鏡（optical telescope）和分光鏡（spectroscope），對太空探索同樣非常重要。比如，通過對比由分光鏡獲得的吸收線，我們便可得知恒星內部究竟有什么元素及其分布和比例。你想知道太陽內部含有多少金元素嗎？那好，請把分光鏡對準太陽，然后研究一下金元素的吸收線并測量一下吸收線的暗度，由此便可知金元素占太陽總質量的萬億分之一。但不要泄氣，畢竟太陽的質量太大了，要是能夠提取太陽中所有的金元素，你肯定會成為地球上最富有的人，因為這比地球上的金含量要多得多。

天文學家通過恒星發射光線的顏色（或頻率）測定其表面溫度，恒星表面溫度最低可至2 500K，而最高可高達30 000K。而且，正如我們已經看到的，天文學家還可以通過測量恒星的表觀亮度（apparent brightness）計算出該星體發射的光的總量（即其亮度），然后計算出其可能達到的亮度。恒星表面溫度和亮度是制定赫羅圖所必需的兩項最基本的指標。最后，如果我們弄清了恒星的亮度就可以據此估算該星體的質量。類似的技術還可以讓我們準確估算整個星系與地球之間的距離，星系的大小、運動狀況及富含的能量。

最近50年來，上述技術使我們對恒星和星系的了解有了革命性的進步。借助技術，我們認識到恒星和星系也是在不斷演化的，而且還會走向衰亡，以及在發生、發展和演變的過程中如何為宇宙提供豐富的化學元素。而這些是后來復雜分子形成、新式天體問世不可或缺的金鳳花條件，后者如地球及其衛星。