地球上的黃金從何而來？除了中子星合并，超新星也能產生金元素
對于我們普通人來說，沒有什么金屬比黃金更加誘人了。如果我問你的金項鏈或者其他黃金飾物是從哪來的，你肯定說花錢買的，或者說礦里開采的。這些說法都沒錯，但是追根溯源，它們都是宇宙中來的，然后和其他物質一起積累在地球上，才能被我們開采。但是，宇宙大爆炸之后，整個宇宙中并沒有金元素，整個元素周期表中只有氫、氦和極少量的鋰被創造了出來。我們都知道其他的元素是靠這些元素聚變形成的，但是作為宇宙中最穩定的原子，鐵就是這些聚變過程的終點。比鐵還重的原子反而都有裂變的可能，那么它們又是怎么來的呢？長期以來，科學家認為這些元素都是在超新星爆發或者是致密星碰撞事件中被極其驚人的能量促使產生的。到了2017年，在觀測到了兩個中子星合并過程中重元素產生的證據后，這個理論也更加牢固。可是，就在科學家們自信找到終極答案的時候，一項新的研究給他們澆了一盆冷水。根據最新的星系化學演化模型，中子星的合并過程似乎不足以產生這些重元素。莫納什大學和澳大利亞ARC三維全天空天體物理學卓越中心（ASTRO 3D）的天體物理學家Amanda Karakas說：“在宇宙的早期，中子星合并并沒有產生足夠多的重元素，今天也沒有。宇宙制造它們的速度還沒有快到能夠解釋它們為何會出現在那些古老的恒星之中。而且，總體而言，也沒有發生那么多的碰撞來解釋今天這些元素的豐度。”那個時候，宇宙大爆炸剛剛過去不久，整個宇宙還沒有物質，而是處于夸克湯的狀態。然后，宇宙逐漸冷卻，夸克之間結合成為質子和中子，進而結合成為氫和氦。直到今天，這兩種元素仍然占據著宇宙的絕大部分。接下來，氫聚集成了恒星，在核心處進行核聚變，生成了更多的氦。在燃燒殆盡后，恒星內部開始新的核聚變，產生了碳和氧。然后更重的元素一點點出現，直至產生了鐵。理論上鐵也能發生聚變，但是鐵聚變需要的能量比它產生的能量還要高，所以這種反應是不會自發進行的。Karakas比喻說：“我們可以把這些恒星想象成巨大的高壓鍋，這里有新的元素被創造出來，這種制造新元素的反應也為恒星在數十億年內發出的光芒提供了能量。隨著恒星年齡的增加，產生的熱量越來越多，也就有越來越重的元素被創造出來。”至于比鐵更重的元素，比如我們今天討論的金元素，則需要通過快中子捕獲過程（即r-過程），通過原子核與中子的碰撞來實現。這個過程要求發生得非常迅速，才能保證中子能夠在原子衰變之前進入到原子核中。這樣的過程非常罕見，我們知道它通常出現在兩顆致密星的合并過程中，如雙中子星或者中子星與黑洞的合并，能夠產生足夠強大的能量引發這個過程。但是，該團隊根據觀測到的金元素推測中子星碰撞事件最低頻率也比現在推測的頻率高得多，這說明金元素還有其他的來源途徑。為了弄清楚這些元素的來源，該團隊利用最新的天體物理學數據以及目前掌握的銀河系內各元素的豐度，同時參考了理論上核物理過程的產量和發生的概率，建立了一個從碳到鈾的所有穩定元素的銀河系化學演化模型。他們繪制了一個特殊的元素周期表，表中標注了他們模擬的各種元素的來源。這樣的工作讓結果十分明顯：從宇宙早期到現在，中子星碰撞事件并沒有以往我們想象的那么多。用Karakas的話說：“即使我們對中子星的碰撞頻率進行最樂觀的估計，也完全無法解釋宇宙中這些元素的豐度。”于是問題來了，那些原本被認為產生于中子星合并的元素又是從哪來的呢？Karakas等人認為，這些元素很可能產生于一種特殊的超新星爆發——磁旋轉超新星。這種超新星出現于那些具有極強的磁場并且自轉速度極快的恒星中，它們也可以釋放出足夠巨大的能量以引發r-過程。而且，他們的研究顯示，只要那些質量在太陽25-50倍之間的恒星中有一小部分具有這樣的磁場和旋轉特征，就能夠解釋這些元素的來源。“這太意外了，那些具有強磁場的高速自轉恒星才是這些元素中絕大部分的真正來源。”另外，此前也有研究指出，有一種叫做核心坍縮超新星的天體也可以導致重元素的產生。它們的質量是太陽的30倍以上，同樣有著較高的自轉速度，它們在坍縮為黑洞之前發生的超新星爆發就可以產生巨大的能量。這種超新星的出現概率比中子星碰撞還要少，但也是這些重元素的制造者之一，這些研究成果加在一起，和Karakas團隊這一次的研究匹配得很好。他們還發現，那些質量小于太陽8倍的恒星，會產生碳、氮、氟等元素，以及大約一半比鐵重的元素。而那些大于8倍太陽質量的恒星則產生了絕大部分的氧和鈣，以及碳和鐵之間其他元素的剩余部分。英國赫特福德郡大學的天體物理學家Chiaki Kobayashi指出：“除了氫之外，沒有任何一種元素只能通過一個類型的恒星來形成。比如碳元素，有一半來自于瀕臨死亡的低質量恒星，另一半來自于超新星爆發；而鐵元素有一半來自于大質量恒星產生的普通超新星，還有一半則是來自于另一種形式，那就是Ia型超新星。”總之，我們所佩戴的飾品中的黃金，不一定來自于中子星的碰撞，也可能來自于上述兩種特殊形式的超新星。另外，這項研究也沒有蓋棺定論，畢竟科學家發現并利用引力波的歷史才只有5年，也許隨著引力波發揮的作用越來越廣，我們會發現中子星碰撞事件沒有目前認為的那么少。另外，本次研究中的模型顯示的銀元素含量又比實際觀測的更多，這個問題他們還沒有給出答案。總之，我們今天看到的一切元素，要么是宇宙大爆炸產生的（氫和氦），要么是超新星或者是致密星碰撞等重大天文事件中產生的。若不是有這些轟轟烈烈的“宇宙級災難”爆發，恐怕今天也沒有這么繁華的世界。
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