黃金哪里來？

黃金，從古代開始便作為一般等價物進行資源交換的重要金屬。

不管是金屬制造還是經(jīng)濟需求，黃金在今天仍然是十分重要的金屬。

自然界中的黃金

不過地球的黃金是有限的，更多的資源在太空里。

當我們在了解黃金的同時，不知有多少人想過黃金到底是怎么來的？

或者說它的真正出處在哪里，這種昂貴的貴金屬在今天為何仍然不常見？

如今科學家通過多年的研究，終于找到了黃金誕生的地點，中子星。

最初科學家對中子星合并時產(chǎn)生的引力波進行研究，但是這份研究后來延伸至對宇宙重金屬元素的起源思考。

藝術(shù)創(chuàng)作下的中子星合并

引力波作為廣義相對論的一項結(jié)果，但在太空中，只有類似黑洞、中子星這樣的天體才能夠制造出來。

因為它們的密度足夠大，所產(chǎn)生的引力甚至可以扭曲空間。

科學家預(yù)測，中子星作為恒星結(jié)束時特殊天體，當兩顆中子星發(fā)生碰撞時，它們會在元素周期表中產(chǎn)生比鎳和鐵更重的元素，并在它們向內(nèi)盤旋的時候發(fā)出引力波。

這種時空漣漪帶來的結(jié)果便是中子星合并，中子星的碰撞將為這些重型元素提供產(chǎn)生的環(huán)境，例如鉑、鈾和黃金等。

為了查明這一具體現(xiàn)象和對理論的認證，科學家利用激光干涉引力波天文臺，以及意大利的處女座干涉儀進行聯(lián)合觀察。

這樣的搜索最終將科學家?guī)蛄司嚯x地球1.3億光年外的九頭蛇星座的橢圓星系NGC4993中。

引力波源則被命名為GW170817，命名格式主要依據(jù)日期進行命名。

英國萊斯特大學的科學家解釋道，中子星碰撞將產(chǎn)生高放射性火球。

理論上講，中子星在劇烈的碰撞過程中，亞原子粒子的較重元素會被粉碎然后融合在一起。

相關(guān)研究人員利用光譜儀看到了中子星紅外光所揭示出來的重元素光譜，這里面有大量的物質(zhì)被釋放出來。

作為研究宇宙重物質(zhì)和地球物質(zhì)起源的一部分，這無疑是一個重要發(fā)現(xiàn)。

科學家們觀察到的GW170817

科學家還指出，兩顆中子星碰撞帶來的重元素雖然僅是這一過程的微小部分，但其中的黃金和鉑金的質(zhì)量就相當于地球質(zhì)量的10倍。

僅是中子星碰撞帶來的純固體貴金屬就超過了100個地球質(zhì)量，事實證明中子星在制造重元素方面十分優(yōu)秀。

一旦這些元素出現(xiàn)在附近，它們就會隨著小行星合并，例如地球這樣的天體應(yīng)該就是在碰撞中聚集到如此多的重元素，由此帶來了大量的黃金。

科學家觀察記錄到的光學曲線

“炮仗”一響，黃金萬兩

在宇宙中，恒星要想成為中子星并不容易，任何星系的主序星初始質(zhì)量至少得是太陽質(zhì)量的8倍才有可能產(chǎn)生中子星。

隨著恒星逐漸遠離主序帶，內(nèi)核的燃燒會產(chǎn)生富含鐵的核心。

當恒星內(nèi)部的所有可以支持核聚變的材料耗盡時，恒星內(nèi)部就必須依賴簡并壓力支撐自己。

錢德拉塞卡極限表現(xiàn)曲線

一旦這種堆積帶來的壓力超過錢德拉塞卡極限，電子簡并壓力被克服，核心進一步坍塌，此時的溫度會異常高。

在此條件下，恒星內(nèi)部的鐵核被高能伽馬射線分解成α粒子。

隨著溫度的升高，電子和質(zhì)子通過電子捕獲形成中子，并釋放出大量的中微子。

中微子事件可以具象化

當內(nèi)部密度達到4 1017 kg/m3時，排斥力和種子簡并壓力的結(jié)合會使恒星停止收縮，恒星外層被中子產(chǎn)生的中微子流阻止并向外拋射，最終成為超新星或者中子星。

中子星作為一種十分特殊的天體，它的質(zhì)量和溫度都高得令人意外。

不過隨著時間的推移，中子星的內(nèi)部溫度會逐漸降低。

中子星的自轉(zhuǎn)速度會以每秒數(shù)百次進行運動，部分中子星還會發(fā)出電磁輻射，使其成為脈沖星。

過去科學家們認為，超新星爆炸可能是宇宙中重元素由來的重要原因。

重元素比起其他較輕的元素在宇宙的星系中更少，越重的元素越明顯。

這是由于恒星很難制造它們，恒星除了維持自身的能量和運轉(zhuǎn)，避免在自身重量的影響下坍塌。

恒星內(nèi)部的核聚變會在反應(yīng)之初融合出氫和氦，后來經(jīng)過元素轉(zhuǎn)化成為碳和氧。

但是這些反應(yīng)的能量最多只能到達鐵這樣的地步，再往上就沒辦法了，因為制造更重的元素需要更多的能量。

但在超新星爆炸中，科學家認為它所釋放的能量足以產(chǎn)生更重的元素。

不同天體表現(xiàn)出的效果各不相同

因此在上世紀50年代，科學家們認為慢中子捕獲過程，也就是s過程可能是重元素產(chǎn)生的由來。

但很快科學家發(fā)現(xiàn)，s過程不能解釋黃金、銀、鉑以及更重的金屬來源。

要想讓它們很好地出現(xiàn)，就必須是在快速流動的中子轟擊鐵核時合成而來。

快速中子捕獲過程也被稱作r過程，它負責產(chǎn)生大約一半比鐵更重的原子核，也就是重元素。

r過程中的核物理

不過在那個時候要想研究r過程十分困難，首先是實驗條件根本達不到，再者也沒人真正觀察到r過程的出現(xiàn)。

因為就實驗機制來講，參與s過程的同位素具有足夠長的半衰期，可以在實驗室中進行研究。

另外s過程主要發(fā)生在普通恒星中，這意味著它很常見。

其中中子通量足以讓中子捕獲以10~100年重復(fù)一次。

相比之下，對每秒就要捕獲100次的r過程來講，s過程速度十分緩慢，這也就導(dǎo)致它很難在實驗室中進行。

中子星的脈沖表現(xiàn)

黃金即是星星

這樣的討論經(jīng)過了幾十年，直到2017年發(fā)現(xiàn)的GW170817才最終證實了科學家們的猜想。

中子星合并產(chǎn)生的可見光為其帶來的研究素材，同時還有大量的r過程元素放射性衰變。

當兩顆中子星相互靠近時，由于引力輻射的影響它們會向內(nèi)盤旋。

最終合并成更大質(zhì)量的中子星或者黑洞，具體的結(jié)果取決于殘余物質(zhì)量是否超過“托爾曼-奧本海默-沃爾科夫極限”。

合并事件能在1毫秒內(nèi)產(chǎn)生比地球強數(shù)萬億倍的磁場，由此出現(xiàn)短暫的伽馬射線爆。

簡單來講，中子星合并就是一種天體碰撞。

蟹狀星云中心的中子星

正如我們前面所說，宇宙早期的輕型元素形成相對較快，因引力的作用它們?nèi)谌氲搅撕阈侵小?/p>

恒星的運動將其氫融合成氦，氦變成碳，以此類推，質(zhì)量更大的恒星能將原子核一直融合成為鐵。

就像元素周期表展現(xiàn)的那樣，越重的元素需要更加強大的碰撞能量。

只要反應(yīng)發(fā)生得足夠快，以至于在更多的中子被添加到原子核之前，放射性衰變就不會有機會發(fā)生。

中子星合并帶來的碰撞是爆炸性般的改變，它會產(chǎn)生一個以光速20%~30%的速度向外膨脹的物質(zhì)殼，并且大部分材料都是由新元素組成。

元素周期表中的元素揭示了這一過程

這些元素會吸收特定波長的光，所以科學家便能夠利用這一點來對其進行對比查看。

哪些波長被哪些物質(zhì)吸收了多少，并將它們與我們所發(fā)現(xiàn)或制造出來的特定元素進行對比。

不過要想證明元素與光譜之間的對應(yīng)性還是比較困難的，因為科學家目前還沒有完全掌握元素周期表中較重元素的光譜外觀。

但就已經(jīng)觀察到的光譜來講，科學家可以對其進行建模，并創(chuàng)建一個合成光譜，由此可以更深入地了解其對應(yīng)的元素外觀。

至少就現(xiàn)在的發(fā)現(xiàn)來看，黃金無疑是中子星合并的一部分。

鍶元素大概就是這么來的

同樣的發(fā)現(xiàn)還有350~850納米波長的鍶元素，中子星合并同樣會帶來大量的鍶，這大概是地球質(zhì)量的5倍多。

在GW170817事件被確認后，目前的天體物理模型表明，單個中子星合并事件可能會產(chǎn)生3~13個地球質(zhì)量的黃金。

盡管目前的天體物理模型還有很多地方需要完善，至少現(xiàn)在我們明白，他人口中的金牙或者脖子上的金項鏈，或許正是上一次中子星合并產(chǎn)生的結(jié)果。