第2章
星与星系：节点二和三

人类是星体物质构成的。

——哈罗·沙普利（Harlow Shapley），《来自遥远星体的景观》（View from a Distant Star）

大爆炸为我们带来了宇宙，但在此后的几千万年里，宇宙的结构却超级简单。不过，在这简单平静的背后，许多新的有趣的可能性却正在萌生，终于有一天，满天的星辰、星系开始照亮夜空。此时，我们的故事又多了一整套的新角色，它们各有新特征和新的复杂性，可谓引领宇宙穿越了第二个复杂性不断提升的节点。但要说明这许多新的星体是如何生成的，我们还需回到最初。

驱动复杂性生成的自由能

宇宙大爆炸后的几秒钟至几分钟，整个宇宙的温度急剧下降。其间有几个星光璀璨的时刻，宇宙中的能量足以生成或毁灭各种新奇的能和物的形态。但由于温度急剧下降，有些形态的能和物就凝结成几种简单的结构。在大爆炸的熔炉中，力和粒子像陶瓷一样稳定下来。狂躁的能量遵循少数几个运作规则造就了质子和电子一类的结构，这些结构非常稳定，因为温度趋降的宇宙很难再产生当时制造这些结构所需的温度。

此后，宇宙温度下降的速度减缓，就好像已经从温度的高峰跌到了谷底一样。此时的温度梯阶趋于平缓，不再出现陡降，所以变化的速度也出现锐减，就好像来到了起伏有致的丘陵地带，温度也时升时降。此时的新结构也很难被锁定，因为结构遭遇少许的升温就解体了。比如，原子在新兴的星体内在温度达到一万摄氏度以上时就会发生解体。

在这种不大可预测的环境中，复杂的结构需要额外的加固才能稳定下来。而这种加固还要靠控制下的非随机能量流动（controlled,nonrandom flows of energy）。恒星是由内核处发散出的能流得以维持的；生物体，包括你和我，能够维持下去靠的是细胞内复杂的新陈代谢所提供的精准的能流；而在大爆炸后的宇宙，也要靠做功才能建造并维持复杂的结构存在。正因如此，凡物的形态、复杂性及有指向性或结构化的能流（structured flows of energy）之间存在着深刻的联系。

结构化的能流是一种颇为直观的描述，而非科学界的术语。这里想说的是：热力学理论对两种能流进行了区分，即完全随机的能流和有方向、有结构、首尾贯通的能流。结构化的能流称作自由能（free energy），非结构化的能流则称热能（heat energy）。这一划分当然不是绝对的。其实这里只是一个贯通或随机的度的问题。但无论怎么说，区分自由能和热能对我们的起源故事却是至为根本的。

热力学第一定律认为，宇宙中能的总量是不变的，且保持恒定。我们的宇宙从问世起，其造成事物生发的潜势似乎就是固定的。所以，热力学第一定律其实想要表达的是原初时代的多种可能性。热力学第二定律称：从原初多种可能性中萌生的物质多少都呈现出某种结构，就好像溪水中的涟漪。但随着时间的推移，大多数的物质都会变得更少结构化。这是因为物质和能量的大多数可能组合的结构性都很弱，所以即使偶然有结构，其趋势也是迅速衰败。

瀑布就是一个很好的例证。瀑布很有型，但最终会耗散殆尽。瀑布顶端的水分子并非随机运动，而是像气罐中的分子一样，都向同一个方向进发，又像恋爱中的猫，彼此贴得越近越好。这是因为，不同于普通单个行动的空气分子，瀑布中的水分子被电磁力裹挟，引力于是将其紧密地聚拢到一起且朝同一方向运动，如同行进中的一队士兵。水从瀑布顶端飞溅直下，此时势能便转化成动能。水分子协调一致，朝一个方向运动。此时的运动是结构性的，我们可以把造成这一运动的能量流称作自由能。自由能不同于空气分子的随机热能就在于前者能做功，原因是它有型有结构，能够把物朝一个方向推动，而不是随意任何一个方向。如果有必要，就可以导引这种自由能通过涡轮机发电。自由能是造成事物生发的那种东西，其移动快捷、势不可挡，是我们整个起源故事的驱动器。

但不同于一般意义上的能，自由能很难保存，因为它很不稳定，就像伸展的弹簧。自由能做功的时候，就失去了自身的结构，用完了也就完了。如同瀑布顶端的水砸到底端的岩石上，旋即变成了分散的、不再整齐划一的热能。单个的分子彼此大致独立地摇摆着。能当然还在那里，还是守恒的（也就是热力学第一定律），但分子朝多个方向推动，这样就不再能够驱动涡轮机了，因为此时的自由能已经转化成热能。根据热力学第二定律，所有的自由能最终都会转化成热能。

热能就像喝醉酒的交警，胡乱指挥着能的车辆，结果只能是制造更多混乱。而自由能可被比作神志清醒的交警，指挥能的车辆沿着某些特定的路线前进，所以创造出秩序。对我们来说非常幸运的是，早期宇宙确有一些自由能存在，而且依据宇宙最基本的规则在运行。这些规则把能向某些特定的非随机的路线导引，确保了少量却至为根本的结构存在。

星系与恒星：节点二

正是自由能驱动了最初的大型结构涌现，也就是星系和恒星。此时最重要的自由能是引力。就像宇宙的牧羊犬一样，引力喜欢把万物纠集成群。此时被纠集成群的万物正是宇宙大爆炸后出现的简单物质。引力与物质一道制造了最初恒星和星系涌现的金凤花条件。

科学家对宇宙微波背景辐射的研究表明，在宇宙形成早期，大尺度的结构还非常罕见。我们可以设想一下：一层轻巧的氢原子和氦原子薄雾漂浮在充满光子的暗物质温暖浴缸中会是什么样子，此时浴缸的温度大致均衡。我们已经确知，早期宇宙均质化程度极高，因为通过衡量宇宙微波背景辐射的温度差异，我们会发现宇宙中温度最高的地方比温度最低的地方也不过仅高出0.01℃。此时还不存在可用的温度梯阶（temperature gradients），不存在可以造成新结构的能量势差。现在你可以用手快速揉擦脸，如此造成的温差都要比那时的温差大得多。

不过，此后引力开始对这种毫无希望的物质进行加工，然后的故事就有意思了。大爆炸作用的方向是把空间尽力推开，而引力却努力把能量和物质往一起拉。

引力的概念在牛顿对宇宙的理解中至关重要，而且是引发科学革命的一个纲领性概念。牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》（Philosophiae Naturalis Principia Mathematica）一书中对引力原理进行了详细的论述，这部书也因此成为人类历史上最重要的科学著作之一。牛顿认为，引力是所有物质相互吸引的一种力。250年后，爱因斯坦又证明了：能实际上也会产生引力，因为能毕竟是物质生成的质料。

此外，爱因斯坦还预言：引力其实是某种形式的能，所以，就像电磁力或声一样，引力应能产生波。但爱因斯坦担心这种引力波会非常弱，以至于人们根本无法测量出来。2015年9月，真正的科学奇观出现了：人类终于发现了引力波！而且是两次，一次是在美国路易斯安那州，一次是在美国华盛顿州，两次都是通过激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，或简称LIGO）。2017年，有三位对此做出重大贡献的科学家被授予诺贝尔物理学奖。此次发现的引力波是大约一亿年前产生的，当时有两个黑洞在距离我们很远的南部某个星系发生了碰撞。（那时恐龙还主宰着我们这个星球呢！）科学家在地球上将光束一分为二，然后沿两个臂长4 000米的LIGO探测仪垂直发射，探测仪的两端都安装有反射镜。这样，当光束完成约300次往返运动后，却未能同时抵达原点。原来，是微弱的引力波将一个方向发射出的光束拉长了，而另一个方向的光束则被缩短，其间的差别比一个质子的直径还要小。由此，天文学家了解到引力波的存在，科学家希望凭借这一认知能够以更新颖的方式研究宇宙。

从引力的角度看，早期宇宙太过平滑了，因为其演化过程中本该有丛簇的现象发生。引力有一种重新构架宇宙的趋势，而这也正是我们觉得早期宇宙的熵颇低的原因，低熵就意味着更为整齐划一；此后的数十亿年则见证了熵增的过程，也就是宇宙变得更混乱。引力一旦介入，只需几亿年的时间，就把原本平滑整齐的早期宇宙变得异常混乱，造成了丛簇叠生的恒星和星系。

正如牛顿指出，物质的质量越大、密度越高，其引力就越大。所以地球的引力就比你我都要大，而且越远离地球表面，比如身处国际空间站，来自地球的引力也越发微弱。现在我们把早期宇宙设想成一个立方体。立方体中的暗物质和原子会自发地运动，导致某些地方比其他地方密度更大。根据牛顿定律，我们可知物质在密度大的地方肯定比密度小的地方引力会更大，而且随着时间的推移，二者之间的差异会增大。就这样，数百万年后，引力使宇宙中充满了更多的斑点和丛簇。

引力把原子拉得更加紧密，原子彼此碰撞的概率就越大，且摇动得也越发狂乱。这样一来，物质丛簇集合的地方温度会升高，原因是更多的热量被积聚到了狭小的空间。（同理，人们给轮胎打气的时候，其内部的温度也会升高。）整体而言，宇宙的温度在降低，但物质聚集的地方却开始升温。终于，在某些地方，温度上升到质子不再能绑缚电子的程度；此时，原子开始解体，并在丛簇物质的核心地带重新制造出带电的等离子体，正如遍布早期宇宙的带电等离子体一样。

由于引力造成的压力叠加，物质密实的地方变得密度更大，其核心也更炽热，于是在这些地方重现了早期宇宙的巨大能量。大约在1 000万摄氏度，质子就有足够的力量克服正电荷彼此之间的斥力，而一旦突破此障碍，质子就会在巨大核力的驱使下两两结对，当然，这种核力作用的力矩都很短。质子对继而形成氦核，正如大爆炸之后不久曾短期出现过的那样。

质子聚合期间，其中的部分物质会转化成纯能量，正如我们此前看到过的，这时候，哪怕极微小的物质也蕴含着巨大能量。氢弹爆炸会释放巨大的能量，其原理正如恒星生成一样，是通过核聚变完成的。所以说，一旦物质团的温度达到了节点的大约1 000万℃，就会有数万亿的质子聚合而成氦核，形成一个释放巨大能量的大熔炉。而一旦点燃，且有足够的质子持续发生聚合，大熔炉也就会持续地燃烧下去。

聚合释放出的热能会造成物质的核心发生膨胀，从而拒斥了外来的引力。这种新的物质结构常常会持续稳定长达数百万年，甚至数十亿年。这样，一颗恒星就诞生了。

有了星系和恒星的宇宙

但恒星却并非仅有一颗，事实上，在每个物质丛簇聚集的地方，都有数十亿颗恒星。此时，我们所谓的星系开始闪耀，照亮了青年宇宙的夜空。

宇宙中有了星系和恒星，便与早期只有原子的宇宙大为不同。此时的宇宙在较大和较小的尺度上都已具有结构性，我们可以说整个宇宙变得更复杂了。星系间是黑暗、空洞的空间，而星系内部则有闪亮的、致密的区域。星系里充盈着致密的物质和能量，而星系间极其寒冷且空荡荡的。但此时宇宙中的物质不再像当初一样宛若均匀飘动的雾，而是成片成团地凝结成星系，其形状就像蜘蛛编织的一张网。每个星系的结构都各具特性，但大多数是螺旋形的，就如同我们身处其中的银河系，而且每个星系的周围往往有数十亿颗恒星在缓慢围绕着核心运行，这核心通常是一个密度极高的黑洞。星系彼此发生碰撞后，通常会扭曲成“不规则星系”（irregular galaxies）。星系当然也是依靠引力聚合成团的，内部圈圈环绕，密密匝匝，以至于在宇宙中最终形成一个类似巨型群岛的架构。

散落在宇宙之中的众多恒星，就像冷布丁中的葡萄干，其实每颗都具备高结构性和很多新涌现出的特性。每颗恒星都有一个炽热的内核，在此实现质子的聚合，从而产生足够的用以对抗引力的能量。紧贴着内核处，是一层向内挤压的外核物质，后者为内核燃烧提供质子燃料。恒星的寿命主要取决于其初始形成之际自身的质量。巨型恒星会产生巨大的引力压力，所以其散发的热能要比小型恒星多得多。因此，巨型恒星往往在几百万年的时间里就油尽灯枯，而质量较小的恒星燃烧要慢得多，所以后者的寿命甚至比目前宇宙的寿命还要长很多。

宇宙之中物质的多样化构成意味着多样化的环境、更大创造力和花样翻新的能量梯阶，其中有光度梯阶、温度梯阶和密度梯阶，自由能从梯阶的高端流下，恰如飞流的瀑布。每颗恒星都向外围寒冷的空间倾泻自身的热能，其中有热流、光流和化学能流，而这些都可以被用来在恒星附近的地区制造新式的复杂实体。地球上之所以能够生机盎然，就是因为这种自由能的流动。

引力催发物质演变成恒星，质子在压力下克服正电荷彼此相斥的力实现聚合，这一过程在此后的历程中会反复出现。这有点儿像早晨喝了一杯咖啡，然后你就有了外出工作的动力一样。化学家通常把这一初始赋能的行为称作“活化能”或“激活能”（activation energy），就像点燃的火柴引发大火一样。其原理正在于：某一种能量发生变化，从而引发远高于活化能的自由能流动。在恒星生成的过程中，引力最先提供了质子聚合的活化能，然后是恒星形成，再后是一系列其他的变化。

但这里有一个问题：热力学第二定律还起作用吗？熵既然痛恨结构，那它为什么还要让更复杂的结构成型呢？

如果仔细观察能流，我们会发现诸如恒星之类的有型结构为保持自身的复杂性付出了多么沉重的代价。我们先看质子聚合释放出的能量。在此，能所做的第一件事是把恒星支撑起来，也就是要防止恒星塌陷。这就像是给熵交了一定量的押金，或称作复杂有型税（complexity tax）。而恒星一旦不再能够释放能量，也就自然塌陷了。复杂有型税的概念可以解释著名天体物理学家埃里克·蔡森（Eric Chaisson）观察到的现象，即：一般说来，物质的表现越复杂，支撑其存在的能流就越多，甚至可以精确到每秒每克物质的耗能量。比如，根据蔡森的估计，在现代人类社会中流动的自由能要比流经太阳的自由能密度高大约100万倍，而流经其他各类生物的自由能密度则居于上述二者之间。也就是说，凡物欲变得更复杂，熵必然要求其中有更大的能流；反过来说，凡物复杂了，则必然也已找到足够量的自由能流维持其存在。所以，也难怪更为复杂的实体难以制造和维持，而且复杂实体要比简单实体更容易发生崩溃。这一观念是现代创世神话的核心线索，其对现代人类社会的启示亦可谓寓意深长。

熵很喜欢这种交易，因为支撑恒星的自由能，正如瀑布中水的势能，在释放到太空之后，终将贬值。因此，恒星变得越复杂，其降解自由能的力度也就越大。事实上，整个现代起源故事都贯穿这一主题。复杂性的提升并非战胜了熵，正相反，支撑复杂实体（包括你和我）的能流正帮助熵实现打破一切秩序与结构的苍凉计划。

新元素与不断提升的化学复杂性：节点三

大爆炸后的10亿年，宇宙就像一个半大的孩子，行为举止已变得十分有趣。不过从化学的角度看，宇宙还是相当枯燥无趣的，因为那时的元素只有氢和氦。而到了我们所说的第三个复杂性提升的节点，新型的物质出现了，即元素周期表中所有其他的元素。宇宙有了90多种不同的元素，其可做的事情也就多多了。

宇宙之所以最先制造出氢和氦，是因为这两种元素最简单。氢核中只有一个质子，所以被标记为元素1；氦核中有两个质子，所以标记为元素2。大爆炸后38万年宇宙微波背景辐射出现时，宇宙中还有少量的锂（元素3）和铍（元素4）存在，仅此而已。这些就是宇宙大爆炸制造出的四种元素。

宇宙制造更多元素的金凤花条件相对简单，即足够量的质子和足够高的温度，而这种条件在大爆炸后相当一段时间内并不存在。只是后来，伴随众多濒死恒星再无法偿付熵索要的复杂有型税，在倦怠、蹒跚和内外交困中最终崩溃，从而释放出巨大能量，上述条件也就自然具备了。

要弄清为何恒星在濒死时会制造出新元素，我们还要先了解一下恒星是如何维系生存和走向衰老的。

恒星的寿命从数百万年到数十亿年不等，所以人类根本无从观看恒星走向衰老。正因如此，仅靠裸眼观察太空的古“天文学家”们绝无可能讲述我们现在讲述的恒星生灭的故事，比如玛雅人、蒙哥湖畔的智者或古希腊人。现代人对太空的理解是基于近两个世纪全球范围的大量科学研究和观察数据，这样，天文学家们才可能分享数以百万计的恒星的信息，而这些恒星均处于各自寿命的不同阶段。正如英国天文学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）所戏称的那样，从事天文学研究就像漫步在一片森林之中，眼前的树木有的嫩芽初放，有的成熟参天，还有些古树真的行将枯萎。研究处于生命不同阶段的树木，我们自然会弄清楚它们是如何成长、成熟，直至最终死亡的。

天文学家们有一个最基本的涵括众多恒星信息的图谱，这就是赫罗图（Hertzsprung-Russell diagram）。它相当于天文学家的地球仪，就是那种学校教室里常见的地球仪，凭借它，很多零碎的信息就有了更多意义。

赫罗图大约是在1910年创制的，它将所有的恒星依据两种最基本的特性进行了分类。第一个特性是恒星的亮度或光度（luminosity），在赫罗图上标记为纵轴，也就是相对于太阳，该星体向太空发散的能量总和。第二个特性是恒星的颜色，从颜色就可以看出其表面温度，通常以开（K）计，在赫罗图上通常标记为横轴。由于这两种特性在恒星的生命周期会发生变化，所以赫罗图实际上能够让我们认清多种恒星经历的历程。不同恒星生命轨迹最大的差别主要取决于另外一项统计数据——星体质量的大小。较大恒星的历程自然不同于较小恒星的历程。

在赫罗图上，最亮的恒星，即那些放射出最多能量的恒星，比如参宿七，均在图的顶部，而且这些恒星通常体积也最大。而光度最小的恒星，如比邻星，均在图的底部。太阳（光度为1）在图中居于中部。在图中，恒星表面温度最高的均靠左边，而表面温度较低的则靠右边。

赫罗图有三个很有意思的区域。横跨该图，从右下部到左上部弯曲的点状集团为主星序。大多数恒星生命周期中的90%都在主星序的某个点上，其具体坐落于哪个点取决于恒星的质量，而主星序上所有的恒星均能产生足够的能量以把质子聚合成氦核。太阳目前正在做的正是制造氦核的工作，所以说太阳已处于中年，仍在主星序上。赫罗图的右上部是红巨星地带，比如参宿四，处于猎户星座（Orion）的一个角落。这里的恒星均年事已高，核心部位的质子差不多用完了，靠燃烧其他较大的原子核勉力维持火炉不灭。其表面温度已经有所下降，因为它已膨胀至太阳半径的差不多200倍大。但这类恒星发出的光却异常强烈，原因是它们的体积大，所以居于赫罗图的顶部。赫罗图中的第三个重要区域是左下部，这里是白矮星的地带。白矮星曾属于红巨星，只是后来失去了外表层的大部，最后只剩下炽热的、致密的内核。

一旦恒星垂垂老矣，最终会耗尽自身的自由质子，其内核部也逐渐堆积起燃尽的质子灰烬，换言之，氦核。要实现氦核的聚合就需要比聚合质子高得多的温度，所以恒星内核处最终会停止燃烧。而一旦燃烧停止，引力就占了上风，恒星便会在自身重力的压迫下最终塌陷。但故事并非就此结束。恒星塌陷后，在引力的挤压下，其温度会再次升高。恒星的外部表层也会因此膨胀，温度则又降了下来，从而以此维持自身的平衡。对人类而言，这种恒星的外部表层呈红色，所以被称作红巨星。而一旦太阳到了这个阶段，就会膨胀至其目前体积的200倍左右，而太阳系内的行星，包括地球，都会因此而灰飞烟灭。

如果红巨星的质量足够大，其内核处在引力的挤压下会变得异常炽热，足以把氦核聚合成更重的元素，比如碳（有6个质子）和氧（有8个质子）。此时的恒星可谓是经历了一场复活，只不过聚合氦核要比聚合质子复杂得多，且产出的能量也较少，所以说恒星到了这一阶段，其寿命也就不多了。巨型恒星要经历好几次这样剧烈的膨胀和收缩。碳和氧也聚合成更重的元素，从镁至硅，最终是铁。伴随恒星升温，另外一种生成机制开始介入，把部分中子转化成质子，从而制造出更多新元素。恒星的核心会逐渐变成一个巨大的铁球，外面包裹着由其他元素构成的多重表层。

但至此，恒星就不会再有发展了，因为不能一直靠聚合铁元素产生新的能量。所以最终，大多数恒星会把外面的多重表层炸掉，从而成为白矮星，也就是赫罗图底端左部所见的恒星。白矮星可谓星界的僵尸，因为其核心处已不再有燃着的火炉，其自身密度极高，通常有地球大小，但质量却有太阳那么大。如果你试图用勺子舀起一匙白矮星物质，那定然是徒劳，因为这一匙至少有4吨重。不过虽说是僵尸，白矮星却依然炽热，要真正冷却下来可能需要数十亿年。白矮星已完成自身的任务，即使周围充满了各种新元素。有些白矮星的死亡更为壮烈：与附近的星体发生碰撞，从而引发超新星大爆发。这种大爆发会产生极高的温度，所以能够制造元素周期表中的众多元素。通过大爆炸圆寂的白矮星会制造出所谓1A型超新星。这种大爆发都是在相同温度下发生的，所以一旦能够确认大爆发及其亮度，就可以据此估算星体与地球的距离。天文学家利用1A型超新星能够估算出比使用造父变星进行估算远数百倍的星体的距离。

相当于太阳质量7倍左右的恒星以另一种爆发的形式走向死亡，这种爆发被称为核心坍缩超新星（core-collapse supernova）。恒星的内核塌缩成比太阳还要大的铁球时，内核处的火炉将最后一次熄灭，随之，引力会以极快的速度和力度挤压铁球，从而产生极大的能量和极高的温度，甚至超过该星体有生之年的最高值。此时，星体会瞬间发生超新星大爆发，其瞬时喷发的能量甚至是当时星系的总和。仅仅几分钟的时间，这种超新星爆发就制造出元素周期表中其余的众多元素并将其喷洒至空中。这种核心坍缩超新星最有名的例证是蟹状星云（Crab Nebula）的形成。参宿四在此后100万年间也会发生超新星大爆发。

大多数通过超新星爆发剥离了外表层的红巨星会剧烈地收缩，其间会有大量质子和电子被糅合成中子。这样，整个星体就被挤压成中子星（neutron star），即由中子构成的星体，其中中子的密度就像原子核中的粒子一般。这种高密度的物质存在颇不寻常，因为即使在原子中也存在大量空间，所以一颗中子星，哪怕只有20千米的直径，其重量却是太阳的两倍，而一匙中子物质足有10亿吨重。现有证据表明，元素周期表中许多重元素非常有可能并非是在普通的超新星爆发中形成的，而是在剧烈的中子星碰撞合并中形成的。

中子星旋转的速度极快，就像发出警告时用的信标，1967年，人们首次发现中子星就是因为这种快速的闪光。旋转的中子星被称作脉冲星（pulsar）。第一颗脉冲星被发现之后不久，又有一颗在蟹状星云的核心处被发现，后者是一次超新星大爆发的遗留物，中国天文学家1054年对此曾做过记录。这颗位于蟹状星云核心处的脉冲星差不多有一座城市大小，每秒转动达13次之多。

不过，对于大多数巨型恒星而言，还有一种更为奇幻的结局：其核心部位会发生强烈的向心聚爆（implode），这时候，塌陷简直无可避免，于是，星体变成了黑洞，也就是目前人类已知的密度最高的物质。爱因斯坦曾预言过黑洞的存在，即一种至密物质，其引力之大，甚至连光线都无法从中逃脱，也正因如此，我们迄今对黑洞内部究竟怎样尚知之甚少。黑洞可谓太空中的怪物，但我们有充分证据表明黑洞是真实存在的。宇宙中最初形成的恒星可能都异常巨大，因此，其中可能有许多已变成黑洞，而这些黑洞可能是后来星系形成的基础，就像众多沙砾拱卫着珍珠一样。如今，天文学家们已经在大多数星系中探测到黑洞的存在，包括我们身处其中的银河系。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边界，哪怕是黑洞的“事件视界”（event horizon），都会伴随一声凄厉的惨叫而喷射出自身最后的巨大能量。这种濒死的哀鸣造就了异常明亮的星体，后者被称作类星体（quasar）。

黑洞的边界，或称“事件视界”，是有去无回的一个转折点，也是我们人类知识的一个极限，因为任何信息都难以逃离黑洞的魔爪。我们可以大致估算出构成黑洞的星体的质量，甚至包括其旋转的速度，但仅此而已。不过，斯蒂芬·霍金称，确有微妙的量子效应使得少许能量从黑洞中逃逸出来。也许还有部分信息会从黑洞中逃逸出来，但即使如此，我们还没有掌握解读这类信息的技术呢！

就这样，垂死的恒星以各自不同的方式丰富了年轻的宇宙，使其更加多姿多彩。而元素周期表中的各种元素，一旦在垂死的恒星和超新星爆发中形成，便会在星际不断聚集，由此，原子聚合而成简单的分子，而分子经过类似发酵的过程，就会进而形成新形式的物质。

天文学家凭借多种技术，已经确认了远离地球数百亿光年之遥的多种星体的构成，正因如此，我们对恒星才有了上述了解。从上述可知，天文学家们是从星光中获取了海量信息。不过，光亮只是恒星和星系喷射出的能量的很小一部分。现代望远镜已能让天文学家接触到所有频段电磁波的能量发射，从波段最长且最为懒惰的无线电波（radio waves）到波段最短且异常活跃的伽马射线（gamma rays）。而现代大型计算机可以对这种海量信息进行非常精确的处理。如此，再加上各种空间望远镜，比如哈勃望远镜，足以使天文学家在不受地球大气层扭曲干扰的情况下观察宇宙。借助这种现代科学仪器，人类对整个星系环境的认识有了突飞猛进的发展。

旧式的仪器，比如光学望远镜（optical telescope）和分光镜（spectroscope），对太空探索同样非常重要。比如，通过对比由分光镜获得的吸收线，我们便可得知恒星内部究竟有什么元素及其分布和比例。你想知道太阳内部含有多少金元素吗？那好，请把分光镜对准太阳，然后研究一下金元素的吸收线并测量一下吸收线的暗度，由此便可知金元素占太阳总质量的万亿分之一。但不要泄气，毕竟太阳的质量太大了，要是能够提取太阳中所有的金元素，你肯定会成为地球上最富有的人，因为这比地球上的金含量要多得多。

天文学家通过恒星发射光线的颜色（或频率）测定其表面温度，恒星表面温度最低可至2 500K，而最高可高达30 000K。而且，正如我们已经看到的，天文学家还可以通过测量恒星的表观亮度（apparent brightness）计算出该星体发射的光的总量（即其亮度），然后计算出其可能达到的亮度。恒星表面温度和亮度是制定赫罗图所必需的两项最基本的指标。最后，如果我们弄清了恒星的亮度就可以据此估算该星体的质量。类似的技术还可以让我们准确估算整个星系与地球之间的距离，星系的大小、运动状况及富含的能量。

最近50年来，上述技术使我们对恒星和星系的了解有了革命性的进步。借助技术，我们认识到恒星和星系也是在不断演化的，而且还会走向衰亡，以及在发生、发展和演变的过程中如何为宇宙提供丰富的化学元素。而这些是后来复杂分子形成、新式天体问世不可或缺的金凤花条件，后者如地球及其卫星。