地球上的黃金是怎麼來的？弄懂原理一起“挖金”去！
LIGO（激光幹涉引力波天文台，是借助于激光幹涉儀來聆聽來自宇宙深處引力波的大型研究儀器。）在 2015 年探測到了曆史上的首個引力波源GW150914。
此後，引力波的發現如雨後春筍。截至 2018 年底，LIGO 已經發現了 11 個引力波源。
上圖展示了這 11 個引力波源的基本情況。
圖中的藍色和紫色的圓點代表一個個黑洞，而黃色和橙色的圓點代表一個個中子星。縱軸的數字，則标記了這些天體的質量是太陽的多少倍。圖中的箭頭，代表着兩個較小天體并合成一個較大天體，并釋放引力波的事件。其中有 10 個引力波事件，都是兩個黑洞發生并合；隻有 1 個引力波事件，是兩個中子星發生并合，當然，這也是人類曆史上觀測到的首個雙子星并合事件。
我們要科普的，就是這個雙中子星并合事件。因為它回答了一個絕大多數地球人都會感興趣的問題：黃金是怎麼來的？
黃金是由原子序号為 79（即原子核裡有 79 個質子）的金元素所構成的金屬單質。它擁有美麗的金黃色澤，并且幾乎不會與其他的任何元素發生化學反應。由于含量稀少，加上化學性質穩定，黃金在曆史上常被當作法定貨币，并被視為财富的象征。
不過，這些黃金到底是怎麼來的呢？這個問題困擾了人類數千年之久。
人們提出過很多稀奇古怪的猜想：有人說它是彙聚的陽光，有人說它是硬化的水，還有人說它是由廉價金屬轉化而成的。當然現在我們已經知道，這些猜想通通都不靠譜。地球本身不可能制造黃金，所有的黃金都來自天上。
一直到 20 世紀下半葉，才有兩個天文學家找到了破解這個世紀難題的關鍵線索。他們就是我們前面見過的霍伊爾和福勒。
在介紹霍伊爾和福勒的理論之前，讓我們先來簡要回顧下一些關于恒星演化的基礎知識。
恒星誕生的标志是其中心區域點燃了氫核聚變。在主序星階段，恒星中心的核聚變會有兩種情況：對于像太陽這樣的小質量恒星而言，核聚變反應的盡頭是産生氧元素；對于超過太陽質量 10 倍的大質量恒星而言，核聚變反應的盡頭是産生鐵元素。
為什麼大質量恒星核聚變反應的盡頭是鐵元素呢？下圖就可以解釋其中的道理。此圖的橫軸是某種原子核中包含的核子（核子包含質子和中子）的數目，縱軸則是這種原子核的平均結合能。所謂的平均結合能，就是把原子核中的每個核子結合在一起所需要的平均能量。正如圖中展示的，在所有的化學元素中，鐵的平均結合能是最大的。
鐵擁有最大的平均結合能就導緻了一個後果：鐵是所有元素中最穩定的。也就是說，所有比鐵輕的化學元素聚變成鐵，都會釋放能量；所有比鐵重的化學元素裂變成鐵，也都會釋放能量。換言之，鐵無論是聚變還是裂變成其他元素，都要吸收能量。
這樣一來，恒星中心的核聚變就必須在産生鐵元素以後中止了。因為把鐵元素聚變成更重的元素，不但無法釋放能量，反而還要吸收能量。這種賠本的買賣，恒星自然就不會幹了。
這就導緻了一個後果：比鐵元素更重的金元素，不可能通過恒星中心聚變的方式來制造。
連恒星中心聚變都制造不了黃金，那麼黃金到底是怎麼來的呢？霍伊爾和福勒的答案是，源于超新星爆發。
關于超新星爆發。其中一種情況就是所謂的“大質量恒星坍縮”：在大質量恒星死後的塌縮過程中，強大的引力把電子壓進了原子核的内部，從而與質子結合形成中子；這個恒星“中子化”的過程，會制造一場中微子大爆炸，把恒星外層物質全部炸飛，從而形成超新星爆發。霍伊爾和福勒發現，這并不是超新星爆發的全部故事。
恒星“中子化”以後，恒星内部就變成了中子的“汪洋大海”。因為中子不帶電，所以很容易掉進恒星中心的鐵原子核。換句話說，鐵原子核可以通過不斷俘獲中子的辦法，增加原子核中的核子數目；而與此同時，一部分被俘獲的中子又會在原子核内部發生衰變，然後再度變回質子。這意味着，鐵原子核内的質子數和中子數都會增加，從而變成一種更重的元素。
靠這種“俘獲中子”的方法，鐵元素就可以突破無法聚變成更重元素的瓶頸，從而産生包括金和銀在内的所有重金屬元素。“中子俘獲”過程所産生的黃金，會随着不斷膨脹的超新星遺迹向外擴散，并融入星際介質。星際介質又可以形成新的恒星和行星（比如我們的太陽系及其八大行星）。在這一過程中，星際介質中的黃金就被帶到了地球。
很長一段時間，人們都認為超新星爆發是産生黃金的唯一途徑。但在 20 世紀 90 年代，通過計算機模拟，天文學家們發現了一個相當嚴重的問題：超新星爆發其實是一件很困難的事情。
前面已經提到，超新星爆發是恒星“中子化”過程産生的中微子爆炸把恒星外層物質炸開的結果。但天文學家研究發現，絕大多數的情況下，中微子爆炸不足以把恒星外層物質炸開。這樣一來，就不會再有超新星爆發的現象；大質量恒星就會直接塌縮成一個黑洞，然後悄無聲息地從夜空中消失。這就是“失敗的超新星”。而“失敗的超新星”，就無法産生黃金了。
由于“失敗的超新星”的存在，超新星爆發就不足以産生宇宙中所有的黃金了。根據天文學家的估算，超新星爆發産生的黃金隻占宇宙中黃金總量的 10%。那麼剩下的 90% 的黃金，又是怎麼來的呢？
其實早在 20 世紀 70 年代，美國天文學家拉蒂默和施拉姆就找到了這個問題的關鍵線索，也就是兩個中子星的并合。兩個中子星發生碰撞然後合并在一起的過程中，将會向外甩出一部分中子星的物質。這些被甩出的中子星物質能在高溫下發出大量的電磁波，從而讓自身的亮度大增。盡管遠遠遜于超新星，但它的亮度依然能達到普通新星的 1000 倍（大概相當于太陽亮度的幾千萬倍）。因此，人們就把它稱為“千新星”。
拉蒂默和施拉姆發現，在雙中子星并合的過程中，同樣可以發生“中子俘獲”現象。被甩出去的那部分中子星物質裡含有很多鐵元素。這樣一來，鐵原子核就可以不斷地捕獲中子，從而制造出包括金在内的所有重元素。而與超新星爆發不同的是，雙中子星并合的時候沒有任何外層物質的阻攔，根本沒有失敗的可能。
因此，雙中子星并合就能産生比超新星爆發更多的黃金。
幾十年來，人類一直沒有觀測到雙中子星并合産生的千新星，因而無法驗證這個理論是否正确。這種狀況，在 2017 年 8 月 17 日發生了徹底的改變。
2017 年 8 月 17 日，天文學界出現了一場狂歡。在那天的 12 點 41 分（協調世界時），費米太空望遠鏡向地面發送了一條簡訊，說它剛剛探測到了一個來自宇宙深處的伽馬射線暴。
短短 6 分鐘之後，LIGO 也傳來消息，說它在剛剛提到的伽馬射線暴差不多的時刻，也探測到了一次引力波爆發事件。不僅如此，LIGO 還确定了這個引力波源所處的大緻範圍，并在 13 點 21 分把這個消息發送給了世界各地的望遠鏡控制中心。全世界的望遠鏡都在同一時間指向了同一方向，并真的在與地球相距 1.3 億光年的 NGC 4993 星系中，發現了一顆雙中子星并合所産生的千新星。
全世界的天文學家都沸騰了。這是人類曆史上首次觀測到一個天體同時發出電磁波和引力波。這個發現開啟了多信使天文學的新時代。
當然，這個發現也驗證了雙中子星并合會産生黃金的理論。根據天文學家的估算，這次的雙中子星并合事件大概能産 1.8×10的24次方 噸的黃金，大概相當于 300個地球的總質量。
不知道這麼多的黃金，最終會落入誰的口袋。
來源：原點閱讀
作者：王爽
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