2014年10月15日
中子星相撞模擬圖。
科學(xué)的偉大之處在于能夠向我們講述我們是從哪里來的。不是指我們的個體，不是指人類，也不是指行星，而是指我們是由什么組成的。宇宙大爆炸鍛造出了組成我們的所有基本粒子——電子和夸克——后者組成了質(zhì)子和中子。在宇宙的早期階段，在一片原始的混亂中，物質(zhì)被創(chuàng)造了出來。但是這個創(chuàng)世熔爐隨著宇宙的膨脹而逐漸冷卻了。第一輪的創(chuàng)造沒有能夠出現(xiàn)比鋰更重的原子，而鋰是一種輕元素，僅排在氫和氦之后，列第三位。假如元素的創(chuàng)造到此為止，那么宇宙就會變得相當(dāng)乏味。
幸好恒星接過了這一棒。超新星的爆發(fā)，以及在那些即將死亡恒星的外殼中，強大的力量把原子核焊接了起來，創(chuàng)造出更重的元素。卡爾·薩根的名言：我們，以及我們生命中的所有一切，都來自恒星——就是受了這一創(chuàng)造過程的啟發(fā)。
但是這個浪漫的故事并未就此結(jié)束。恒星能產(chǎn)生的重元素并不太多，因此我們今天所見的各種各樣的元素必然來自其他地方。有跡象表明，其余的重元素很可能來自宇宙中最奇特的住民之一——中子星。中子星是質(zhì)量比太陽大許多的恒星在臨終爆發(fā)后留下來的密度極高的殘骸。這些奇特的天體間如果發(fā)生碰撞合并，那么就會產(chǎn)生明亮的短伽瑪射線暴（GRBs）。它能為金，以及其他大個兒原子核的形成提供恰到好處的原材料和足夠的能量。伽瑪暴最早發(fā)現(xiàn)于20世紀60年代末期，當(dāng)時有一些人造衛(wèi)星被設(shè)計用來檢測非法核試驗，但是它們卻意外地發(fā)現(xiàn)了來自深空的伽瑪射線耀斑。軍方于1973年將這些發(fā)現(xiàn)解密，隨后學(xué)界開始研究它們，想知道它們是什么，完成這一任務(wù)花掉了將近20多年時間。
在天文學(xué)中，研究伽瑪射線是比較困難的。它們無法穿透地球的大氣層，也不會像普通輻射那樣被反射。這些特點，以及由于軍方保密的原因，大大地阻礙了揭開伽瑪暴奧秘的進程。在一段時間內(nèi)，學(xué)界中幾乎所有人都在討論伽瑪暴，因為我們連它們究竟是發(fā)生在銀河系內(nèi)，還是銀河系外，都不明確。20世紀90年代，一顆搭載有“暴及瞬態(tài)源實驗裝置（Burst and Transient Source Experiment (BaTSE)）”的人造衛(wèi)星升空，數(shù)據(jù)缺乏的狀況才有所好轉(zhuǎn)。通過這顆衛(wèi)星，天文學(xué)家確認了伽瑪暴的兩個類型：短伽瑪暴和長伽瑪暴。短伽瑪暴從發(fā)生到結(jié)束不會超過2秒；而長伽瑪暴可持續(xù)數(shù)分鐘。1997年后，新獲得的證據(jù)表明伽瑪暴來自于銀河系以外。這便意味著伽瑪暴擁有極高的能量，是一些特別強大的宇宙事件，因為它們距離如此遙遠，在事發(fā)數(shù)十億年后，射線仍能到達地球，并被我們觀察到。
隨后事態(tài)開始變得明朗起來。長伽瑪暴較為明亮，也較為常見，它們產(chǎn)生自極大質(zhì)量恒星所帶來的超新星爆發(fā)。超新星通常出現(xiàn)在產(chǎn)星區(qū)內(nèi)，那里有許多大質(zhì)量的恒星，它們的生命周期很短，因此爆發(fā)也較為常見。但是短伽瑪暴不一樣，它被認為是重元素產(chǎn)生的源頭。2005年，科學(xué)家Derek Fox及其同僚在《自然》雜志上發(fā)表了一篇論文，闡述了他們?nèi)绾卫肵射線和射電觀察，確定了一次短伽瑪暴發(fā)生的位置。他們指出，這個產(chǎn)生伽瑪暴的區(qū)域并非星系中通常發(fā)生超新星爆發(fā)的區(qū)域。因此學(xué)界對短伽瑪暴的研究已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向，許多人開始支持中子星碰撞假說。這是因為這類爆發(fā)持續(xù)時間極短，而普通恒星的爆發(fā)過程中有大量的原子核需要發(fā)生碰撞，還要發(fā)生其他一些有意思的現(xiàn)象，因此所需時間遠不止2秒。
而中子星的相撞與之相比則相當(dāng)迅速。中子星的所有質(zhì)量都被壓縮進了一個體積只相當(dāng)于人類城市規(guī)模的球體中（外星城市另當(dāng)別論）。它們不創(chuàng)造原子，而是一種原子核的物質(zhì)形態(tài)：中子和其他粒子都被壓縮進了一個熾熱的小球中。假如超新星是氫彈，那么中子星就是上帝的碰碰球或粒子對撞機。它們被壓縮起來，并在瞬間釋放出來的能量在宇宙間是無與倫比的。
中子星的相撞就象相對論重離子對撞機，原子核對撞的速度將接近光速，相撞的后果是融合和重組，它們所混含的各類原子核會以一種非常有意思的方式重組。短伽瑪暴象征的是那些原子核中含有大量中子的重元素的誕生——而中子星有的是中子。宇宙中幾乎所有的金，和地球上所有的稀有金屬，如銪，都誕生自這些碰撞。
近年來，在對伽瑪暴的觀測中，又獲得了對中子星相撞假說更為有利的證據(jù)。雖然仍有一些謎團需要解開，比如這些伽瑪暴的產(chǎn)物是如何聚集在一起，成為新恒星或新行星的原材料的。但是可以明確的是，這類大碰撞是重要的宇宙物質(zhì)鍛造過程。
作者：Matthew Francis
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