今天的太陽系和宇宙中的其他地方一樣，我們不可能知道所有發生過的事情。當我們觀察今天所看到的一切時，有很多細節都已經消失在宇宙的歷史中。但是，宇宙也為我們提供了足夠的線索，我們可以得出許多合理、有力的結論。我們經常說太陽是第三代恒星，甚至有人認為是第二代恒星，那么太陽到底是第幾代恒星呢？

目前來說雖然我們還不是很確定，但我們知道太陽至少是第三代恒星！那么我們是如何根據已知的理論推斷出這個結論的。

通過重元素的含量對恒星的分類

當天文學家對恒星進行分類時，通常會把恒星分為三類：第一類、第二類和第三類恒星。第一類恒星和我們的太陽一樣稱為星族Ι。這類恒星的光譜具有很強的吸收特征，這些特征也表明恒星大約1%的質量是由重元素組成的，也就是除了氫和氦之外的原子核。

第二類恒星是星族II：這些恒星的光譜吸收特征要比第一類弱的多。原因是它們質量的一小部分（約0.1%或更少）是由比氫或氦重的元素構成的；這說明這些恒星基本上沒有受到前幾代恒星爆發后的重元素污染。

到2019年，星族Ⅲ恒星只在理論上存在，目前并沒有在宇宙中發現還存在這樣的恒星。在早期的宇宙，物質由99.999999%是氫和氦組成，而最早形成的恒星都是一些是絕對不含重元素的原始恒星。

在地球上，我們把碳、氮、氧、磷、硅、硫和鐵等元素視為“生命要素”，但對于宇宙來說這些元素都沒稱為“重金屬污染”。

宇宙早期的元素種類以及比例

在宇宙的最初階段，宇宙高溫、致密，充滿了粒子、反粒子和輻射。在溫度最高的時候，各種粒子有足夠的能量會自發地產生物質-反物質對。但隨著宇宙膨脹和冷卻，宇宙失去了制造新粒子對的能量，因為如果能量E大幅降低，宇宙就再也不能通過愛因斯坦的E = mc^2來創造新的質量粒子。而之前形成的正反粒子對會全部湮滅，由于物質比反物質多，宇宙會剩下穩定的物質粒子（質子、中子和電子）。

從質子和中子開始，宇宙快速形成氦-4，還形成了少量但可計算的氘、氦-3和鋰-7。

早在第一顆恒星形成之前，質子和中子就在早期宇宙的高溫、稠密的熔爐中經歷了第一次核聚變反應。在熱大爆炸開始后的幾分鐘，宇宙已經冷卻、膨脹到核反應無法繼續進行。從早期階段，宇宙就為我們留下了原始豐富的原子核：

• 其中75%是氫原子核（普通質子），
• 其中25%是氦原子核（兩個質子和兩個中子），
• 大約0.01%氘（一個質子和一個中子），
• 大約0.01%的氦-3（兩個質子和一個中子），
• 大約0.0000001%的鋰-7（3個質子和4個中子），

這些元素的種類和含量將會一直維持到第一批恒星誕生之前。

在數千萬年的時間里，以上的元素比例在整個宇宙中保持不變。沒有碳、氮和氧；沒有有機分子；沒有復雜的化學反應；沒有巖石行星的原始成分，更不用說生命了！在本世紀初，科學家們發現了大爆炸幾十億年后，未受恒星形成產生重元素污染的原始氣體云。這一發現證實了我們關于大爆炸預測的元素比例，以及大爆炸核合成的理論框架。

恒星死亡后的重元素豐富宇宙星際介質

我們知道，在宇宙中任何位置形成的第一代恒星都是由宇宙的原始成分氫和氦構成的，這些恒星中沒有任何其他重元素。雖然我們現在發現了許多遙遠的星系，而且這些星系中也有一些新生恒星，但沒有一顆是第一代（星族Ⅲ）恒星，多少都含點重元素。

即將發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）的主要科學目標之一，就是要幫助我們捕捉宇宙中的早期恒星。但是我們知道星族Ⅲ的恒星在宇宙中并不會存在很長時間，它們壽命很短。

對于每一顆恒星來說，它們都是由于氣體云坍縮形成的。平均而言，星族Ⅲ（第一代）恒星的質量應該在太陽的10倍左右。

我們的太陽是一個G級恒星，產生光的有效溫度約為5800 K，亮度為1倍太陽光度。一顆恒星的質量可以低至太陽質量的8%，燃燒時的亮度約為太陽的0.01%，壽命是太陽的1000倍以上，但一顆恒星的質量也可以是太陽質量的數百倍，亮度是太陽的數百萬倍，壽命只有幾百萬年。第一代恒星幾乎是由O型和B型恒星組成。

像太陽這樣的恒星可能存活數十億年，而10倍或10倍以上的恒星可能最多只能存活幾百萬年。質量是太陽兩倍的恒星燃燒的時間大約是太陽的八分之一，因為恒星的壽命與質量的立方成反比。當這些早期的大質量恒星在死亡時會產生豐富的重元素：

• 氫變成氦，
• 氦變成碳，
• 然后碳變成氧，氖，硅，硫，最后一直到鈷，鐵和鎳。

最終，這些恒星將在超新星的爆炸中消亡，核心變成中子星或黑洞，而外層中的元素噴發到星際空間中。

太陽至少是第三代恒星

上圖中的沃爾夫-拉耶特恒星被稱為WR 31a，位于船底座，距地球約3萬光年。中心恒星燃燒的溫度超過100,000 K。在不久的將來，這顆恒星將爆炸成超新星，為周圍的星際介質增添新的重元素。

恒星天文學中最重要的概念：從早期垂死恒星中釋放出來的物質將富含重元素，它們會填充到周圍的星際介質中，并且參與未來幾代恒星的形成。

我們知道形成的第二代恒星可能只有少量的碳、氧和其他更重的元素，這些星族II恒星的質量也會很低，這意味著宇宙中仍然可能存在第二代恒星。

SDSS J102915+172927是一顆古老的恒星，距銀河系約4140光年，其重元素含量僅為太陽的1/20000，年齡超過了130億歲，是宇宙中最古老的恒星之一。這絕對是一個星族II恒星。

在我們自己的銀河系里，也能找到極度缺乏重金屬的恒星！我們可以在超古老的球狀星團中看到大量的星族II恒星，其中許多星團是由年齡超過120億年，甚至130億年的恒星組成的。銀河系中流浪的恒星年齡也超過了130億年；可以說星族II恒星在宇宙中無處不在。

這是否意味著所有的星族II恒星都是第二代星呢？現代天文學家認為情況并非如此。第二類恒星形成時，可以通過多種方式實現。也有可能是第三代恒星。

如果第二代恒星質量大，重元素可以極大地豐富星際介質。一旦越過了一定的富集閾值，那么所有新形成的恒星最終都將是第三代恒星：富含重金屬的恒星，例如：我們的太陽。但是否能跨過這個門檻取決于很多因素，比如：

• 所在星系（或星系區域）的恒星形成率，
• 星系的合并歷史（原始或受污染物質的涌入會改變整個星系重元素的富集程度)，
• 一個特定的恒星形成區域有多大（較大的區域產生更大質量的恒星和更豐富的物質），
• 在星際介質中，物質的歷史上形成了多少代恒星。

在大質量星系的中心附近，很可能有一些恒星是自大爆炸以來形成的第三代恒星，而太陽就是其中之一。然而，當我們研究太陽的屬性時，比如它的年齡（大爆炸后92億年形成），它的位置（距銀河系中心25000-27000光年），它的金屬豐度（大約1-2%的元素含量比氦重)。

一個像我們銀河系一樣巨大的星系，形成恒星的原子和分子很可能是宇宙歷史上許多不同世代恒星的一部分。有些可能只是一兩代恒星的一部分；有些可能經歷了6代甚至更多！

因此我們目前還沒有辦法揭示太陽的各種元素和內容的真正歷史。隨著未來望遠鏡和天文臺在本世紀20年代的上線，我們將會更加深入的了解宇宙中恒星形成的演化過程。

但是以目前的標準來衡量，我們的太陽至少是第三代恒星，但組成太陽的多種物質，也很有可能之前存在于更多代的恒星中。