藏在宇宙的煉金術(shù)士

王妃

在歷史上，黃金以其珍貴和稀有，吸引了許多煉金術(shù)士，他們想將普通物質(zhì)“點(diǎn)石成金”，沒(méi)日沒(méi)夜地鼓搗煉金爐，但無(wú)論怎么努力，都沒(méi)法實(shí)現(xiàn)普通金屬變貴金屬這一美夢(mèng)。

不僅人類(lèi)難以點(diǎn)石成金，就連恒星這個(gè)“大熔爐”也沒(méi)法煉出金子。我們知道，動(dòng)植物、礦物包括黃金，即地球上所有的元素最初都來(lái)自太空。

然而，宇宙大爆炸后，在最初的幾分鐘內(nèi)，僅產(chǎn)生了元素周期表的前四種元素：氫、氦、鋰和鈹，所有比鈹重的元素都是由恒星內(nèi)部通過(guò)核聚變形成的，但這個(gè)過(guò)程到鐵元素形成后就停止了，因?yàn)殍F的原子核是所有重元素中最穩(wěn)定的。

那么，在宇宙，比鐵更重的金元素來(lái)自哪里呢？

重金屬元素的起源

為了獲得比鐵更重的元素，我們需要用到一個(gè)小助手——中子。這是由于中子不帶電，當(dāng)其轟擊鐵核時(shí)，會(huì)比較容易與鐵核結(jié)合。

中子轟擊鐵核時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩種情況：“慢中子俘獲”和“快中子俘獲”。當(dāng)種子核（如鐵核）俘獲一個(gè)中子之后，形成一個(gè)質(zhì)量數(shù)大1，質(zhì)子數(shù)保持不變的同位素原子核。但這種新形成的原子核是不穩(wěn)定的，會(huì)發(fā)生β衰變（即釋放出一個(gè)電子）。由于電子帶一個(gè)單位的負(fù)電荷，衰變后的原子核原子序數(shù)反而增加了1。這樣就形成了元素周期表上排在種子核后面一位的元素。這個(gè)過(guò)程就是“慢中子俘獲”，又稱(chēng)S進(jìn)程，會(huì)產(chǎn)生鍶、鋇以及鉛等元素，這種反應(yīng)一般在中子流的強(qiáng)度比較?。ɑ蛘哒f(shuō)中子比較少）的情況下發(fā)生。

快中子俘獲，又稱(chēng)R進(jìn)程，是種子核（如鐵核）俘獲一個(gè)中子之后，形成一個(gè)質(zhì)量數(shù)大1，質(zhì)子數(shù)保持不變的同位素原子核。新核還沒(méi)來(lái)得及發(fā)生β衰變，第二、第三個(gè)中子又被它俘獲了，因此就形成了質(zhì)量數(shù)越來(lái)越大的同位素原子核。直到質(zhì)量大到不能再大的時(shí)候，才發(fā)生β衰變。這個(gè)過(guò)程會(huì)形成更重的元素，包括鈾和黃金。這種反應(yīng)一般在中子流強(qiáng)度比較大（或者說(shuō)中子比較多）的情況下發(fā)生。

籠統(tǒng)地說(shuō)，慢中子俘獲就是中子進(jìn)來(lái)一個(gè)，衰變一次；快中子俘獲就是一次性俘獲很多中子后，再衰變。

顯然，要想產(chǎn)生黃金，在宇宙深處，必須發(fā)生R進(jìn)程。而如果R進(jìn)程得以發(fā)生，就必須滿足以下條件：

首先，要擁有相對(duì)較純、不含雜質(zhì)的中子源。

其次，你需要一個(gè)重元素原子核（比如鐵）作為“種子”，以便俘獲那些中子。

最后，這些物質(zhì)需要在高溫、炙熱的環(huán)境中融合。最好是在大爆炸的環(huán)境中發(fā)生，因?yàn)榻鹱佣夹枰獜暮阈莾?nèi)部高速拋灑出來(lái)，才能行進(jìn)很遠(yuǎn)的距離。

第一位煉金術(shù)士：超新星

根據(jù)這些線索，人們揪出了躲在宇宙深處的第一位煉金術(shù)士：超新星。

大質(zhì)量的恒星，其核心由于持續(xù)不斷地聚變，形成更重的元素。起初，聚變產(chǎn)生的熱膨脹力足可抵抗巨大的引力。但是，待到聚變持續(xù)到鐵這一步時(shí)，由于不能進(jìn)一步發(fā)生核聚變，恒星的熱膨脹力失去了，于是在引力作用下發(fā)生坍塌，坍塌過(guò)程中產(chǎn)生巨大的能量，此即超新星爆炸。

在超新星爆炸時(shí)，恒星內(nèi)核在引力的擠壓下，里面的質(zhì)子和電子被迫融合形成中子，并將核心變成中子星。中子星當(dāng)然可以作為純凈的中子源，具備了上述第一個(gè)條件。被拋出的恒星物質(zhì)含鐵非常豐富，熱量也非常充足，具備了上述第二、第三個(gè)條件。

20世紀(jì)90年代，科學(xué)家們用計(jì)算機(jī)模型還模擬出了這一壯麗的場(chǎng)景。當(dāng)大質(zhì)量恒星核心坍塌后半秒，會(huì)持續(xù)噴出中子流，持續(xù)時(shí)間超過(guò)1分鐘。同時(shí)，鐵核會(huì)不斷捕獲中子，產(chǎn)生令人垂涎的貴金屬，以及元素周期表底部的多種重元素。

幾十年來(lái)，超新星爆炸，產(chǎn)生黃金的說(shuō)法是最令人信服的。然而，隨著計(jì)算機(jī)模型越來(lái)越精確，人們發(fā)現(xiàn)超新星這位煉金術(shù)士可能能力有限，因?yàn)橹凶有菄姵龅闹凶铀坪踹€太少，只能造出個(gè)小型的“金庫(kù)”，還不足以解釋宇宙中存在的那么多大型的“金庫(kù)”。

比如，1985年美國(guó)和歐洲共同體發(fā)射的一顆衛(wèi)星，曾經(jīng)探測(cè)到一顆黃金含量非常高的星體，這顆星球位于雙子座以東、獅子座以西的巨蟹座中，離我們居住的地球17.5億光年，大小為太陽(yáng)的3倍。科學(xué)家們推測(cè)，在其表面就有黃金1000億噸以上，是地球上黃金含量的100多萬(wàn)倍。超新星爆炸顯然還不足以產(chǎn)生這么大的黃金量。

這樣，科學(xué)家們又得回到原點(diǎn)。但他們堅(jiān)信，中子星是金子產(chǎn)生的最必不可少的環(huán)節(jié)。因?yàn)樵谟钪鎯?nèi)，只有中子星才有如此多的中子。問(wèn)題只是，中子星有很強(qiáng)的引力場(chǎng)，如何才能讓中子星大量噴發(fā)中子呢？

更偉大的煉金術(shù)士

1974年，射電天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)首個(gè)雙中子星系統(tǒng)。它們互相圍繞對(duì)方旋轉(zhuǎn)，并在不斷失去能量，這意味著它們終有一天會(huì)發(fā)生碰撞。

想象一下，當(dāng)兩顆中子星最終融合成更大的中子星或一個(gè)黑洞前，在最后的幾次旋轉(zhuǎn)中，它們是不是會(huì)受到彼此龐大的潮汐力的作用而噴射出大量的物質(zhì)？而這才是宇宙中金子最大的來(lái)源。

美國(guó)哥倫比亞大學(xué)理論天體物理學(xué)家用計(jì)算機(jī)模擬再現(xiàn)了這一輝煌的造金場(chǎng)面。在融合前，每顆中子星的后面都拖著長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴（被對(duì)方引力拉扯出來(lái)的中子星碎片），它們會(huì)被加熱到數(shù)十億攝氏度。重核大約能在1秒內(nèi)形成，這些中子星碎片里有著如此多的中子，每一個(gè)都是一個(gè)超大的原子核（這個(gè)原子核里沒(méi)有質(zhì)子，只有中子。事實(shí)上，我們可以把整個(gè)中子星看成一個(gè)超大的原子核）。但這些中子星碎片是不穩(wěn)定的，里面會(huì)不停地發(fā)生衰變，衰變之后可以很容易地形成像金和鉑這樣的重元素。

中子星融合和超新星爆炸都可以產(chǎn)生金子。但是這兩位煉金術(shù)士本事有很大差異。超新星爆炸可以產(chǎn)生相當(dāng)于月球體積的黃金，而中子星融合則可產(chǎn)生類(lèi)似木星體積的黃金，后者比前者多數(shù)千倍！兩個(gè)中子星的融合才是宇宙最大的煉金術(shù)士！

哈佛史密森天體物理中心的天文學(xué)家曾觀測(cè)到一起短時(shí)間的伽瑪射線爆發(fā)事件，而這起事件正是由兩顆中子星互撞造成的。科學(xué)家們?cè)诔掷m(xù)數(shù)天的爆炸聲中，發(fā)現(xiàn)有大量重元素產(chǎn)生的特征，其中就包含金元素。里面金元素的含量，約相當(dāng)于月球質(zhì)量的10多倍！

爭(zhēng)議不止

這樣說(shuō)來(lái)，中子星融合才是深藏在宇宙的最偉大煉金術(shù)士？

事情沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。一些科學(xué)家認(rèn)為這樣的天文事件非常罕見(jiàn)。因?yàn)榕c超新星爆發(fā)不同的是，兩顆中子星的融合需要有兩顆中子星碰巧相撞，而這樣的概率每1億年才有一次，用這么小的概率事件來(lái)解釋宇宙中金子的主要來(lái)源，似乎并不可靠。

支持超新星爆炸說(shuō)的科學(xué)家們相信，如果超新星爆炸時(shí)，在強(qiáng)大磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，中子也許會(huì)噴發(fā)得數(shù)量更多、速度更快，允許鐵核更容易捕獲它們，其產(chǎn)生的金子量也許更加龐大，再加上超新星爆炸非常頻繁，也許超新星才是宇宙金子的主要?jiǎng)?chuàng)造者。

現(xiàn)在科學(xué)家們都在努力尋找證據(jù)，證明各自的觀點(diǎn)。比如，超新星爆炸后，它們產(chǎn)生的核可以凝聚到星際塵埃顆粒上，隨后落到地球上，在深海中保存下來(lái)。通過(guò)調(diào)查深海中的星際塵埃，看看在星際塵埃中，金元素所占比例是多少，這樣跟地球上所含的金元素比例作比較，看看是不是相符。相符，說(shuō)明地球上的金元素確實(shí)都來(lái)自超新星爆發(fā)。若不相符，那么地球上的金元素可能還有其他來(lái)源。而中子星融合前，會(huì)對(duì)時(shí)空產(chǎn)生巨大影響，產(chǎn)生引力波，科學(xué)家們可以通過(guò)“聆聽(tīng)”引力波，來(lái)獲取中子星融合的信息，或者是通過(guò)捕捉短伽馬射線暴發(fā)事件，來(lái)跟蹤中子星融合時(shí)間。通過(guò)這種方法，就可以知道中子星融合產(chǎn)生金子的數(shù)量。

無(wú)論最終結(jié)果是什么，也許科學(xué)家們會(huì)發(fā)現(xiàn)另外一個(gè)煉金術(shù)士，但我們現(xiàn)在可以為金子之所以那么惹人愛(ài)，找到了一個(gè)更浪漫的理由，即我們佩戴的是來(lái)自宇宙深空的星塵碎片。