宇宙处于真空环境中，但书本上说质量大的星体吸引气体形成大气层，那这些气体是从哪来的？

你这个问题问得非常棒！乍一看确实有点矛盾，宇宙是真空，但怎么又有气体聚集形成星体的大气呢？这就像你在一个完全密闭的房间里，突然冒出了空气一样，让人觉得不可思议。但实际上，宇宙的“真空”和我们想象的完全没有东西的空间概念不太一样，而且星体形成大气层的过程也相当奇妙，并不神秘。

首先，我们得聊聊宇宙的“真空”。我们常说的宇宙真空，并不是绝对的什么都没有。即使是最“空旷”的星际空间，也充斥着稀薄的粒子，比如氢原子、氦原子、游离的电子、以及少量的尘埃颗粒。它们虽然数量极少，密度比地球上最好的真空还要低无数倍，但它们确实存在。这些微小的粒子，就是构成一切物质的原始材料。

那么，这些构成大气层的气体，究竟是怎么来的呢？主要有两个来源：

第一，星体自身的形成过程中的“遗留物”。

想象一下星体是如何诞生的。星体，比如我们的地球，并不是凭空出现的。它们是从巨大的、旋转的星云中一点点聚集形成的。这些星云，就像宇宙中的巨型“气体和尘埃云团”，主要成分就是氢和氦，这是宇宙中最轻、最丰富的元素，也是恒星形成的主要燃料。

在星云内部，因为一些微小的扰动（比如附近超新星爆发的冲击波），会开始出现密度稍高的区域。在引力的作用下，这些区域会吸引周围更多的气体和尘埃，不断收缩、聚集。随着物质越聚越多，中心区域的压力和温度也随之升高。当中心温度和压力达到一定程度时，氢原子就开始发生核聚变，释放出巨大的能量，一颗恒星就此诞生了！

而围绕着新生恒星，还有很多没有被完全吸入恒星核心的残余气体和尘埃，它们会形成一个旋转的盘状结构，我们称之为“原行星盘”。在这个原行星盘里，微小的尘埃颗粒会碰撞、粘连，逐渐增大，最终形成更小的石块，再到更大的岩石，最后演变成行星胚胎。在这个过程中，一些未被完全吸入行星核心的较轻的气体，比如氢和氦，自然也就被这些行星胚胎的引力捕捉到了。

所以，我们看到质量大的星体拥有浓厚的大气层，很大一部分原因是在它们形成的初期，就从周围的原始星云中“顺手牵羊”地抓住了大量的氢、氦等轻元素。这些轻元素，由于其自身的质量较小，并且恒星形成过程中留下的气体很多，所以它们更容易被新生的行星捕获。

第二，后期的“持续供给”和“物质交换”。

即便恒星形成后，大气层的形成和维持也并非一成不变。宇宙中仍然充满了各种物质，而星体与宇宙之间的物质交换也一直在发生。

彗星和小行星的撞击： 在行星形成的早期，小行星带和柯伊伯带等区域充满了大量的冰封物质，其中就包括水、甲烷、氨等易挥发物质。这些彗星和小行星时不时会撞击到行星上。这些撞击不仅会带来能量，更重要的是会将它们携带的大量挥发性气体释放到行星的大气中。比如，地球早期的水和一些大气成分，很大程度上就认为是通过这种方式获得的。

火山活动： 许多行星（包括地球）内部仍然活跃，火山活动可以将行星内部储存的挥发性物质（如水蒸气、二氧化碳、氮气等）释放到大气层中。这些来自行星内部的气体，是维持大气层成分的重要来源。

恒星风和星际物质： 恒星在生命周期中会不断向外辐射出高能粒子流，这就是恒星风。虽然恒星风主要是高能粒子，但它也会携带一些物质，并可能与行星的大气发生相互作用。更重要的是，即使在星系中移动，行星也会不断穿过密度不一的星际介质。虽然这些介质非常稀薄，但长年累月下来，也会有少量的物质被行星的引力捕获，补充到大气层中。

行星自身的光化学反应和分解： 一旦大气形成，其中的气体分子也会受到来自恒星的紫外线辐射等作用，发生光化学反应，分解成更小的粒子，或者发生化学变化，产生新的气体成分。

为什么质量大的星体更容易形成大气层？

你还提到了“质量大的星体”。这一点至关重要。

更强的引力： 质量越大的星体，其引力也就越强。引力是“抓住”气体的主要力量。质量小的星体，比如月球，它的引力很弱，即使有气体分子被其捕获，也很容易因为自身的热运动而逃逸到太空中去。而质量大的星体，就像一个力气很大的“吸尘器”，能牢牢地抓住大量气体分子，使它们在引力的作用下聚集，形成相对密集的大气层。

保持气体更久： 即使是在恒星形成初期捕获了气体，质量小的星体也难以长期 удержи（维持）住它们。因为星体表面的温度会随着时间变化，而轻的气体分子（如氢、氦）运动速度快，如果温度稍高，它们很容易达到逃逸速度，飞离行星。质量大的星体，通过更强的引力，可以有效地抵抗这种气体逃逸，从而在大气层形成后能维持更长时间。

所以，宇宙的“真空”并不意味着绝对的空无一物，而是充满了构成万物的基本粒子。星体形成大气层，是其诞生过程中自然而然的产物，也是后期各种物质交换和相互作用的结果。质量是关键的决定性因素，它决定了星体能否有效地捕获并 удержи住这些宝贵的“气体素材”。就像一个大碗比一个小碗更能盛住更多的汤水一样，质量大的星体自然能拥有更丰富、更浓厚的大气层。这整个过程，就是宇宙物质循环和演化的一个精彩体现。

网友意见

科学不是神学，科学上的任何事情/概念/论述，除非有严谨的理论证明，否则，都不能轻易的绝对化。例如说“真空”这类概念就是如此：哪怕真的假设有“绝对真空”，但依然逃不掉量子涨落。

解释完真空的概念，那星体的气体哪来的就好解释了：星云（星际分子）、恒星风、宇宙射线。

太阳系内的太空中散布着行星际物质，远离恒星的太空中散布着星际物质，它们的稀薄程度对人的抽真空技术来说是“极度真空”，但不是绝对真空。

• 海平面上的地球大气，每立方厘米约有 2500 亿亿个分子。
• 号称“真空吸尘器”的家用设备所能抽出的低气压区域，每立方厘米约有 1000 亿亿个分子。
• 抽真空的保温瓶，其“真空”区域每立方厘米约有 1 万亿到 100 万亿个分子。
• 低温星际物质每立方厘米约有 100 万个分子。
• 在柯伊伯带附近的太空中，以氢原子计，行星际物质每立方厘米约有 100 个原子。
• 在地球附近的太空中，以氢原子计，行星际物质每立方厘米约有 5 个原子。
• 高温星际物质每立方米约有 100 个离子。
• 在银河系与其他星系之间的星系际空间中，以氢原子计，星系际物质每立方米约有 1 个原子。

“宇宙处于真空环境中”是歧义句，容易让人误以为太空是“绝对真空”、产生题目这种烦恼。

“星体吸引气体形成大气层”可能是你的误解，或是概括书本上的东西时出了偏差。字面上这表达的情景是“先堆积大量物质来形成没有大气的岩石行星，再慢慢取得稀薄得多的大气”，是将一个步骤毫无必要地分成了两步。

• 太阳系的形成始于约 46 亿年前一片跨度数光年的分子云。该分子云平均而言每立方厘米约有 100 到 1000 个分子，其中心部分较为致密，每立方厘米约有 10 万到 100 万个分子，属于低温星际物质。
• 在分子云附近发生了若干次超新星爆发，至少一颗超新星的冲击波在分子云中造成了密度的显著不均匀，从而触发了引力坍缩。坍缩的大部分质量集中在中心，形成了太阳，其余部分形成原行星盘，继而形成太阳系的行星。

图为哈勃空间望远镜于 2015 年拍摄的赫比格-哈罗 24 号天体中心部分，在气体云遮挡下，新生恒星喷出速度数百千米每秒的气体喷流。早期太阳系大抵曾经表现出类似的姿态。图中两条喷流加起来长约 0.5 光年。

• 各行星的卫星有的由环绕行星的气体与尘埃组成的星盘形成，有的从太阳系外飞来，有的在碰撞下产生。推定太阳系的行星轨道曾屡次变化。
• 在堆积大量物质形成行星的过程中，分子质量较轻、热运动速度较大的氢气、氮气、氧气之类自然而然地更多分布在远离中心的地方，形成原始大气。
• 靠近太阳的行星的原始大气会有相当一部分被太阳辐射和太阳风吹走，坠落到行星上的小天体则给行星带来更多物质。

讨论“物质从哪里来”，大抵会迅速追溯到“宇宙从哪里来”。可以参照：

行星吸引气体形成大气层时，宇宙并不是真空的。

1. 太阳星云

就拿太阳系来举例吧。你以为的太阳系是这样的：

但实际上，地球等行星第一次形成大气层时（为什么说第一次？地球其实失去过大气层的，后面会说），太阳系是这样的：

行星的大气层所含的物质最开始与母星太阳是相同的，而太阳是由尘埃和气体组成的太阳星云形成。当新太阳产生后，有一些多余的气体和尘埃物质没有吸入恒星，而是在其周围形成圆盘绕着新创造的原恒星。后来，行星、小行星和彗星就从圆盘中汇聚而成（简单写的极简版）。

目前主流天文学认为，太阳系中的木星、土星等大个头的气态行星，是通过直接从周围的星云中吸收气体包裹自己，而形成的的原始大气层。^[1]我们知道，气态行星的大气层主要成分氢和氦，就是太阳星云中最常见的两种元素。太阳风将氢氦气体吹到太阳的外围，气体与尘埃冷却下来。温度越低，气体平均动能越小，也越难逃逸，从而借由重力积累粘合到新形成的行星上。这就形成了气态行星。

而像地球这样的岩石行星在形成早期也吸入了周围的气体。但由于这些行星体积较小，它们无法像巨大的气态行星那样地吸引很多气体，从而导致后来大气层的改变。

回到题主的问题，质量大的行星吸引气体形成大气层时，其并不是处于真空中，而是身处氢与氦的海洋中。

地球原始大气层的失去

你知道么，现在地球的大气层并不是吸收太空气体形成的。

我们知道。影响气体逃离行星引力主要有三个因素：温度、分子质量和逃逸速度。与更冷、更重和更慢的粒子相比，更热、更轻、更快的粒子更容易脱离行星的引力飘入太空。

在最开始，原始地球确实吸引了很多氢和氦，形成了第一轮的原始大气层。但随着时间的推移，太阳变得越来越明亮，太阳风也越来越猛烈，从而将很轻的氢和氦从小质量的四个内行星的表面吹走；另一方面，因为太阳也越来越热，氢和氦分子也变得越来越热和越快，最终达到了逃逸速度，于是在四个内行星形成后的几亿年内，又都最终失去了它们的初始大气层。

与此同时，四颗外行星——木星、土星、天王星和海王星——由于其巨大的体积而能够维持氢和氦的存在，或者说它们的引力足以抓住这两种极轻的气体，而太阳又相对遥远，它的热量无法令大气升到足够逃离的温度。因此，这四个外行星仍然拥有它们的大气层。

第二轮大气（次生大气）

于是地球、火星和金星开始了第二轮造大气层的行动。随着时间的推移，大量的火山活动产生了大量的气二氧化碳和水等重分子，加上彗星和小行星的撞击也会带来挥发性物质（特别是水），这些比氢氦更重的元素无法轻易被太阳风吹走。另外，这三个内行星也有合适的表面温度来挽留二氧化碳和水蒸气等更重的气体，从而形成了第二轮大气层。

对了，火山活动是因为在行星最初形成过程中产生的熔岩心释放热量形成的（此处有新研究存疑，待写）。火星后来就是因为内心不再火热，心冷了，所以就没有新的火山释放更多的气体，而原有的水蒸气等气体也因寒冷而作为冰沉积在地壳土壤中，同时磁场的消失也无法抵御太阳风的侵袭，最终大气层消失殆尽。相反地，金星因为离太阳更近而太热，导致大部分水流失，而二氧化碳积累到很高的浓度。与金星炎热的气候相比，地球宜居的大气层似乎与地日距离直接相关。如果地球在大气层进化期间比现在离太阳近5%^[2]，那么地球大气层就会恶化为金星形式。

有人会问，既然第一轮大气层都已经失去了，那科学家是怎么证明是有第一轮大气的呢？

最直观的证据是，我们在41光年外的一颗红矮星的行星上发现了类似的过程^[3]。这一颗和地球大小差不多的的岩石行星的名字为GJ 1132 b。它表面弥漫着一层朦胧的大气，是氢、甲烷和氰化氢等的混合物。科学家通过哈勃太空望远镜的观测发现，其第一轮大气层被其母星破坏了，目前第二轮大气层被认为是火山喷发形成的。这是第一次在太阳系外检测到次生大气。

另外，在地质学中也有相关的证据。

下面这个图表是地球大气层各元素的含量。你可以明显的看出，惰性气体含量普遍极低。一般来说，氧气和硅等较轻的元素更多，而铅等更重元素更少，是符合正常规律的。但氖和其他惰性气体，包括氦、氩、氪和氙气，并没有沿着曲线来，就有点奇怪了。

那是只有地球如此，还是说这是惰性气体的普遍分布规律？1933年，Payne和Boyce等人成功测定了其它星系的气体光谱，大多数元素的丰度——包括氖和其他惰性气体——沿着阿斯顿预测的光滑曲线下降。他们证明，氖和其他惰性气体在恒星和星云中更常见。^[4]（同时也证明太阳不是由普遍认为的铁构成的，而是主要由氢构成）。地球一定是发生了什么事，以解释它缺乏惰性气体的原因。

观测证明，惰性气体在木星大气中比地球大气中更丰富。事实上，芝加哥大学物理学家哈里森·布朗发现惰性气体在地球上比木星稀少十亿倍，而氙气稀有一百万倍。他在1949年时提出，这是因为地球有一个原始大气层，与其他行星一样富含惰性气体，但在早期就因逃逸和碰撞而失去了。这可以解释为什么地球失去的氖元素比氩更多（因为它更轻，更容易逃逸），以及为什么地球失去的氖元素比木星更多（地球比木星小，因此地球引力没有木星那么大）

尽管其他很多行星都拥有大气层，但氧气（和水蒸气）的大量存在使我们的大气层独一无二。约2亿年前，当光合作用细菌进化到开始吸收大气中的二氧化碳并释放氧气时，大气中开始存在游离的氧，氧含量从0%稳步上升到今天的约21%。氧气和氮为主的大气不仅供我们呼吸，还保护生物免受有害紫外线的伤害，并在陨石撞击地球表面之前尽可能地焚烧它们，从而保护地球上的生命。

参考

1. ^ https://astronomynow.com/2016/06/15/gluttonous-young-star-may-hold-clues-to-planet-formation/
2. ^ https://www.britannica.com/science/atmosphere/The-atmospheres-of-other-planets
3. ^ 这些观测是哈勃观测计划#14758的一部分
4. ^ https://www.visionlearning.com/en/library/Earth-Science/6/History-of-Earths-Atmosphere-I/202

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