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藏在宇宙的炼金术士

在历史上,黄金以其珍贵和稀有,吸引了许多炼金术士,他们想将普通物质“点石成金”,没日没夜地鼓捣炼金炉,但无论怎么努力,都没法实现普通金属变贵金属这一美梦。

不仅人类难以点石成金,就连恒星这个“大熔炉”也没法炼出金子。我们知道,动植物、矿物包括黄金,即地球上所有的元素最初都来自太空。

然而,宇宙大爆炸后,在最初的几分钟内,仅产生了元素周期表的前四种元素:氢、氦、锂和铍,所有比铍重的元素都是由恒星内部通过核聚变形成的,但这个过程到铁元素形成后就停止了,因为铁的原子核是所有重元素中最稳定的。

那么,在宇宙,比铁更重的金元素来自哪里呢?

重金属元素的起源

为了获得比铁更重的元素,我们需要用到一个小助手——中子。这是由于中子不带电,当其轰击铁核时,会比较容易与铁核结合。

中子轰击铁核时会出现两种情况:“慢中子俘获”和“快中子俘获”。当种子核(如铁核)俘获一个中子之后,形成一个质量数大1,质子数保持不变的同位素原子核。但这种新形成的原子核是不稳定的,会发生β衰变(即释放出一个电子)。由于电子带一个单位的负电荷,衰变后的原子核原子序数反而增加了1。这样就形成了元素周期表上排在种子核后面一位的元素。这个过程就是“慢中子俘获”,又称S进程,会产生锶、钡以及铅等元素,这种反应一般在中子流的强度比较小(或者说中子比较少)的情况下发生。

快中子俘获,又称R进程,是种子核(如铁核)俘获一个中子之后,形成一个质量数大1,质子数保持不变的同位素原子核。新核还没来得及发生β衰变,第二、第三个中子又被它俘获了,因此就形成了质量数越来越大的同位素原子核。直到质量大到不能再大的时候,才发生β衰变。这个过程会形成更重的元素,包括铀和黄金。这种反应一般在中子流强度比较大(或者说中子比较多)的情况下发生。

笼统地说,慢中子俘获就是中子进来一个,衰变一次;快中子俘获就是一次性俘获很多中子后,再衰变。

显然,要想产生黄金,在宇宙深处,必须发生R进程。而如果R进程得以发生,就必须满足以下条件:

首先,要拥有相对较纯、不含杂质的中子源。

其次,你需要一个重元素原子核(比如铁)作为“种子”,以便俘获那些中子。

最后,这些物质需要在高温、炙热的环境中融合。最好是在大爆炸的环境中发生,因为金子都需要从恒星内部高速抛洒出来,才能行进很远的距离。

第一位炼金术士:超新星

根据这些线索,人们揪出了躲在宇宙深处的第一位炼金术士:超新星。

大质量的恒星,其核心由于持续不断地聚变,形成更重的元素。起初,聚变产生的热膨胀力足可抵抗巨大的引力。但是,待到聚变持续到铁这一步时,由于不能进一步发生核聚变,恒星的热膨胀力失去了,于是在引力作用下发生坍塌,坍塌过程中产生巨大的能量,此即超新星爆炸。

在超新星爆炸时,恒星内核在引力的挤压下,里面的质子和电子被迫融合形成中子,并将核心变成中子星。中子星当然可以作为纯净的中子源,具备了上述第一个条件。被抛出的恒星物质含铁非常丰富,热量也非常充足,具备了上述第二、第三个条件。

20世纪90年代,科学家们用计算机模型还模拟出了这一壮丽的场景。当大质量恒星核心坍塌后半秒,会持续喷出中子流,持续时间超过1分钟。同时,铁核会不断捕获中子,产生令人垂涎的贵金属,以及元素周期表底部的多种重元素。

几十年来,超新星爆炸,产生黄金的说法是最令人信服的。然而,随着计算机模型越来越精确,人们发现超新星这位炼金术士可能能力有限,因为中子星喷出的中子似乎还太少,只能造出个小型的“金库”,还不足以解释宇宙中存在的那么多大型的“金库”。

比如,1985年美国和欧洲共同体发射的一颗卫星,曾经探测到一颗黄金含量非常高的星体,这颗星球位于双子座以东、狮子座以西的巨蟹座中,离我们居住的地球17.5亿光年,大小为太阳的3倍。科学家们推测,在其表面就有黄金1000亿吨以上,是地球上黄金含量的100多万倍。超新星爆炸显然还不足以产生这么大的黄金量。

这样,科学家们又得回到原点。但他们坚信,中子星是金子产生的最必不可少的环节。因为在宇宙内,只有中子星才有如此多的中子。问题只是,中子星有很强的引力场,如何才能让中子星大量喷发中子呢?

更伟大的炼金术士

1974年,射电天文学家发现首个双中子星系统。它们互相围绕对方旋转,并在不断失去能量,这意味着它们终有一天会发生碰撞。

想象一下,当两颗中子星最终融合成更大的中子星或一个黑洞前,在最后的几次旋转中,它们是不是会受到彼此庞大的潮汐力的作用而喷射出大量的物质?而这才是宇宙中金子最大的来源。

美国哥伦比亚大学理论天体物理学家用计算机模拟再现了这一辉煌的造金场面。在融合前,每颗中子星的后面都拖着长长的尾巴(被对方引力拉扯出来的中子星碎片),它们会被加热到数十亿摄氏度。重核大约能在1秒内形成,这些中子星碎片里有着如此多的中子,每一个都是一个超大的原子核(这个原子核里没有质子,只有中子。事实上,我们可以把整个中子星看成一个超大的原子核)。但这些中子星碎片是不稳定的,里面会不停地发生衰变,衰变之后可以很容易地形成像金和铂这样的重元素。

中子星融合和超新星爆炸都可以产生金子。但是这两位炼金术士本事有很大差异。超新星爆炸可以产生相当于月球体积的黄金,而中子星融合则可产生类似木星体积的黄金,后者比前者多数千倍!两个中子星的融合才是宇宙最大的炼金术士!

哈佛史密森天体物理中心的天文学家曾观测到一起短时间的伽玛射线爆发事件,而这起事件正是由两颗中子星互撞造成的。科学家们在持续数天的爆炸声中,发现有大量重元素产生的特征,其中就包含金元素。里面金元素的含量,约相当于月球质量的10多倍!

争议不止

这样说来,中子星融合才是深藏在宇宙的最伟大炼金术士?

事情没有那么简单。一些科学家认为这样的天文事件非常罕见。因为与超新星爆发不同的是,两颗中子星的融合需要有两颗中子星碰巧相撞,而这样的概率每1亿年才有一次,用这么小的概率事件来解释宇宙中金子的主要来源,似乎并不可靠。

支持超新星爆炸说的科学家们相信,如果超新星爆炸时,在强大磁场的驱动下,中子也许会喷发得数量更多、速度更快,允许铁核更容易捕获它们,其产生的金子量也许更加庞大,再加上超新星爆炸非常频繁,也许超新星才是宇宙金子的主要创造者。

现在科学家们都在努力寻找证据,证明各自的观点。比如,超新星爆炸后,它们产生的核可以凝聚到星际尘埃颗粒上,随后落到地球上,在深海中保存下来。通过调查深海中的星际尘埃,看看在星际尘埃中,金元素所占比例是多少,这样跟地球上所含的金元素比例作比较,看看是不是相符。相符,说明地球上的金元素确实都来自超新星爆发。若不相符,那么地球上的金元素可能还有其他来源。而中子星融合前,会对时空产生巨大影响,产生引力波,科学家们可以通过“聆听”引力波,来获取中子星融合的信息,或者是通过捕捉短伽马射线暴发事件,来跟踪中子星融合时间。通过这种方法,就可以知道中子星融合产生金子的数量。

无论最终结果是什么,也许科学家们会发现另外一个炼金术士,但我们现在可以为金子之所以那么惹人爱,找到了一个更浪漫的理由,即我们佩戴的是来自宇宙深空的星尘碎片。

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