作者： Joshua Sokol

翻譯：陽光

審校：山寺小沙彌

原文鏈接：https://www.quantamagazine.org/20170323-where-did-gold-come-from-neutron-stars-or-supernovas/

幾十年來，金和其他重金屬一直被認(rèn)為是超新星爆發(fā)形成的，然而最近不少研究人員對(duì)此提出質(zhì)疑。

歷史上，對(duì)于“地球上的黃金從哪里來？”，或者“怎么獲得更多黃金？”，這樣的問題，民間有很多離奇荒誕的解釋。例如，印加帝國（11世紀(jì)至16世紀(jì)時(shí)位于南美洲的古老帝國）時(shí)代的人們認(rèn)為黃金來源于太陽神因蒂的眼淚和汗水；亞里士多德則認(rèn)為黃金是一種硬化的水，當(dāng)太陽射線穿透到地表的深處時(shí)才發(fā)生轉(zhuǎn)變；艾薩克·牛頓還寫過用圣石制備黃金的配方；甚至，格林童話故事里侏儒妖可以通過旋轉(zhuǎn)稻草來獲得黃金。

現(xiàn)代的天文學(xué)家也有自己的理論，結(jié)果相對(duì)清楚些：大約四十億年前，在一個(gè)被稱為“后板塊”（late veneer）的時(shí)期，嵌有少量貴金屬（包括黃金）的隕石墜落到地球上。但最本質(zhì)的問題是，宇宙中的黃金到底從哪兒來？，這仍是未解之謎。

幾十年來，越來越多的人開始相信——超新星爆發(fā)產(chǎn)生了黃金和元素周期表后幾行中的重元素。然而，隨著對(duì)超新星模型的模擬計(jì)算水平提升，大多數(shù)產(chǎn)生黃金的爆發(fā)模擬過程表現(xiàn)得更像古代煉金術(shù)士的那套。也許，新的發(fā)現(xiàn)（被傳統(tǒng)研究認(rèn)為非常困難）可以解答這個(gè)難題！

在過去的幾年里，新理論迅速引爆科研圈?，F(xiàn)在，許多天文學(xué)家相信——中子星之間經(jīng)過碰撞與融合鍛造出了宇宙里的重金屬。也有一些人認(rèn)為，盡管很多超新星爆發(fā)無法產(chǎn)生這些重金屬，但還是有些特殊的超新星可以做到。為了解決爭(zhēng)論，天文物理學(xué)家開始不遺余力的收集證據(jù)，從模型的計(jì)算機(jī)模擬到深海錳結(jié)核的伽馬射線探測(cè)。他們希望觀察到一種非常罕見的宇宙金屬來結(jié)束這場(chǎng)爭(zhēng)辯

超新星問題

1957年，物理學(xué)家瑪格麗特（Margaret）、杰佛瑞·伯比奇（Geoffrey Burbidge）、威廉·福勒（William Fowler）以及弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）提出了一套理論，可以解釋恒星是如何通過產(chǎn)生和滅亡產(chǎn)生幾乎元素周期表的每一種元素[1]。這就意味著，人類（至少構(gòu)成我們身體的元素）曾經(jīng)是星塵，當(dāng)然也包括金元素。

安娜·弗瑞貝爾（AnnaFrebel，麻省理工學(xué)院的天文學(xué)家）說：“這個(gè)問題由來已久，并且星塵的秘密已經(jīng)存在很長一段時(shí)間了。”

宇宙大爆炸產(chǎn)生出了氫元素、氦元素和鋰元素。接著，恒星利用這些元素漸漸的合成出較重的元素。但這個(gè)過程到鐵元素后就停滯不前了，因?yàn)殍F元素是最穩(wěn)定的元素，原子核比鐵大的元素電荷量非常大，聚集起來也困難，以至于合成過程中能量的輸入大于能量輸出。

為了使重元素更穩(wěn)定，你可以用電中性的中子去轟擊鐵原子核。新加入的中子往往導(dǎo)致原子核不穩(wěn)定，這種情況下，中子會(huì)衰變成質(zhì)子（同時(shí)還會(huì)釋放一個(gè)電子和一個(gè)反中微子），而質(zhì)子的凈增加就導(dǎo)致了新的、更重的元素出現(xiàn)。

如果被原子核所捕獲的中子運(yùn)動(dòng)速度比它的衰變速度慢，該過程就被稱為慢中子的俘獲，或者叫做S過程，比如形成鍶元素（Sr）、鋇元素(Ba)和鉛元素(Pb)；如果被原子核所捕獲的中子運(yùn)動(dòng)速度比它的衰變速度快，該過程就被稱為快中子的俘獲，或者叫做R過程，比如鈾（U）和金(Au)等重元素。

為了得到R過程產(chǎn)生的元素，伯比奇和他的團(tuán)隊(duì)意識(shí)到，你需要滿足以下幾個(gè)條件：首先，你需要一個(gè)相當(dāng)純的中子源；接著，你還需要較重的“種核”（比如鐵核）去俘獲這些中子；最后，你還得把它們置于熱的、密集的環(huán)境中（密度也能太高）。當(dāng)然，你定會(huì)希望一切都發(fā)生在爆炸中，這樣產(chǎn)物就會(huì)散射出來，并可以通過檢測(cè)得到。

對(duì)于很多天文學(xué)家來說，有種特殊的物質(zhì)就滿足上述條件，那就是超新星。

超新星爆發(fā)的機(jī)制是這樣的：當(dāng)已經(jīng)把自己的核慢慢合成更重元素的大質(zhì)量恒星到達(dá)鐵元素情形時(shí)，合成就會(huì)停止，恒星的氣圈奔潰，約一個(gè)太陽質(zhì)量的恒星會(huì)塌縮成半徑只有十幾公里球體，緊接著，當(dāng)核心塌縮成密度非常高的星體時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生超行星爆發(fā)，它所產(chǎn)生和輻射的能量可達(dá)數(shù)十億光年遠(yuǎn)。

似乎超新星具備了所有的必要條件。在恒星塌縮的過程中，位于核心處的質(zhì)子和電子非常緊密，接著會(huì)產(chǎn)生中子，并將核轉(zhuǎn)變成中子星的雛形。再加上鐵的含量豐富，熱量也充足，產(chǎn)生的熾熱會(huì)持續(xù)近千年，并不斷向空間噴射能量直至耗盡。

到了1990年左右，計(jì)算模型開始產(chǎn)生更具體的圖像。在大質(zhì)量恒星的內(nèi)核塌縮后的半秒，會(huì)產(chǎn)生中微子風(fēng)暴，持續(xù)近一分鐘，部分含有大量中子的中微子風(fēng)暴會(huì)刮到可作為“種子”的鐵核。

天文物理學(xué)家托馬斯·詹卡（Thomas Janka，德國加興、馬克思普朗克研究所）說道：“找到希望了！我認(rèn)為這是近20年來解釋R過程元素的形成中，最有趣和最有前景的途徑?！辈⑶椰F(xiàn)在仍然有不少人認(rèn)同這種觀點(diǎn)。天文物理學(xué)家恩里科·拉米雷斯瑞（Enrico Ramirez-Ruiz, 圣克魯茲、加州大學(xué)）補(bǔ)充道：“如果你現(xiàn)在翻開一本教科書，它定會(huì)告訴你R過程會(huì)出現(xiàn)在超行星爆發(fā)中?！?/p>

但隨著超新星模型越來越復(fù)雜，情況卻反而變得越來越糟糕了。比如，中微子風(fēng)暴產(chǎn)生的溫度似乎并不太高，風(fēng)暴的速度也太慢，以至于過多的種核無法俘獲足夠的中子形成類鈾的重元素，而且中微子也能把中子轉(zhuǎn)換成質(zhì)子——也就意味著能參與其中的中子就更少了。

這使得理論家重新審視超新星模型中最關(guān)鍵的一點(diǎn)——超行星爆發(fā)似乎不依賴于中子星的R過程。

斯蒂芬·羅斯沃格（StephanRosswog，斯德哥爾摩大學(xué)大學(xué)）說到：“這種核合成方式太讓人匪夷所思了，一開始你就擁有宇宙中其它地方所沒有的巨量的中子源，盡管中子星具有超強(qiáng)的引力場(chǎng)，但問題的關(guān)鍵是——你如何確定中子星就能產(chǎn)生出東西呢？”

有沒有什么辦法可以讓中子星裂開？一種辦法就是采用超新星級(jí)別的爆炸，可那樣似乎行不通。倘若你思路再開闊一點(diǎn)，是否可以等到一個(gè)超行星爆發(fā)了，再利用它去裂開中子星呢？

中子星的故事

1974年，射電天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)[2]雙脈沖中子星系統(tǒng)。在每個(gè)軌道上，它們都消耗著能量，最終有一天會(huì)發(fā)生碰撞。同年，天文物理學(xué)家詹姆斯·拉蒂默（James Lattimer）和戴維·施拉姆(David Schramm) 模擬[3]出了中子星和黑洞合并的情形，可是那個(gè)年代中子星之間碰撞太復(fù)雜，以至于無法進(jìn)行計(jì)算模擬。

雖然超行星爆發(fā)可以短暫的照亮它所在的整個(gè)銀河系，但是中子星仍然很難被觀測(cè)到。比如，早在1054年，超新星爆發(fā)所產(chǎn)生的蟹狀星云就被很多地方所記載過，但直到1968年，中子星才被探測(cè)[4]到。拉蒂默和施拉姆認(rèn)為，盡管沒有人真正見到過兩顆中子星的融合，因?yàn)樗粌H難發(fā)現(xiàn)而且還不好理解，但這種極端情形卻可以解釋R過程元素的產(chǎn)生。

想象兩顆中子星結(jié)合的最后場(chǎng)景，在它們成為更大的中子星或黑洞時(shí)，它們會(huì)被巨大的引力潮所摧毀，碰撞過程中也會(huì)向外噴射大量的物質(zhì)。

布賴恩·梅茨杰（BrainMetzger,哥倫比亞大學(xué)的理論天文學(xué)家）說：“這有點(diǎn)類似你在擠牙膏，它會(huì)在尾端噴出東西來?！泵總€(gè)中子星都會(huì)有個(gè)尾巴，其中，中子與質(zhì)子的比例接近10：1，溫度高達(dá)幾十億攝氏度，重核的形成過程幾乎不到一秒。因?yàn)樗鼈兒性S多不穩(wěn)定、激活的中子，最后它們會(huì)衰變成為金和鉑之類的元素。

至少，在模擬過程中，它們是這樣進(jìn)行的。

黃金星系

中子星的融合與超行星爆發(fā)都會(huì)不斷產(chǎn)生R過程元素，但兩者最大的區(qū)別在于生成量的大小。超新星也許可以產(chǎn)生月球大小的黃金，而中子星融合卻可以產(chǎn)生木星大小的黃金（比超新星產(chǎn)生的高了數(shù)千倍），但中子星融合的出現(xiàn)幾率卻遠(yuǎn)小于超新星爆發(fā)。這種R過程元素分布的不同就可以作為天文學(xué)家探尋它們起源的一種方式。

拉米雷斯·魯伊茲（RamirezRuiz）說道：“R過程元素的產(chǎn)生好比巧克力，宇宙中豐富的R過程元素主要來源于超新星，這部分就像是曲奇餅上均勻涂抹的巧克力，相比之下，中子星的融合就像巧克力制作的曲奇餅干，并且所有的這些巧克力或者說R過程都非常密集?！?/p>

通過在地球上尋找R過程事件產(chǎn)生的副產(chǎn)物以及它們的分布，可以作為一種評(píng)估手段。在超新星爆發(fā)照亮銀河系相當(dāng)長一段時(shí)間以后，它所產(chǎn)生的那些元素核會(huì)進(jìn)入到星際塵埃中，這些塵埃經(jīng)過太陽系時(shí)，由于地磁場(chǎng)的作用，會(huì)落入到地球上，比如會(huì)存在于深海處。2016年《自然》雜志上的一篇文指出，在深海殼層里找到[5]具有放射活性的Fe-60元素，這被認(rèn)為是距今一千萬年前多個(gè)超新星爆發(fā)的痕跡。然而，這些超新星爆發(fā)卻并沒有出現(xiàn)與R過程相關(guān)的元素。他們還在這里面發(fā)現(xiàn)[6]了少量的钚244（R過程的一種不穩(wěn)定產(chǎn)物）。梅茨杰認(rèn)為，不論這些超重元素如何產(chǎn)生的，它們都不會(huì)是我們星系里最頻繁出現(xiàn)的那些。

不是每個(gè)人都贊同這一結(jié)論。比如肖恩·畢曉普（Shawn Bishop，慕尼黑工業(yè)大學(xué)）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，他們?nèi)匀幌Ｍ麑ふ业綍r(shí)間更近一些的超新星在地球上留下的放射性钚元素。最近，他們的團(tuán)隊(duì)正通過微生物化石之類的物質(zhì)中尋找R過程元素的蛛絲馬跡，這種細(xì)菌的沉淀物中包含了它們從環(huán)境中攝取并用于制備磁性晶體的金屬元素。

當(dāng)然，天文學(xué)家也可以從宇宙深處找尋“巧克力曲奇餅”的足跡。比如，R過程的銪元素有條強(qiáng)的光譜線，天文學(xué)家可以通過恒星的氣層檢測(cè)到。在銀河系的光環(huán)中，可以從一些年代久遠(yuǎn)的恒星上捕捉到了這些R過程信號(hào)的譜線。拉米雷斯·魯伊茲說道：“我們可以找到兩個(gè)鐵含量差不多，但銪含量卻差了兩個(gè)數(shù)量級(jí)的恒星?！闭?yàn)槿绱?，拉米雷斯·魯伊茲認(rèn)為宇宙中“巧克力曲奇餅”要比“巧克力威化”多。

天文學(xué)家還找到一個(gè)更能說明問題的實(shí)例，許多小矮人星系正經(jīng)歷著走向死亡的最后一段時(shí)光，而這一過程或許會(huì)進(jìn)行R過程。一直到2016年，也沒人觀測(cè)到任何小矮人星系中的恒星有R過程頻發(fā)的跡象。

突然有一天晚上，麻省理工學(xué)院的弗雷貝爾（Frebel）接到一個(gè)令他震驚的電話。這通電話來自她的研究生亞歷克斯·吉（Alex Ji），亞歷克斯·吉一直觀測(cè)著Reticulum II的小矮人星系。弗雷貝爾回憶道：“他在凌晨?jī)牲c(diǎn)打電話給我，說：‘安娜，我發(fā)現(xiàn)光譜圖出了些問題，有一個(gè)恒星呈現(xiàn)了很強(qiáng)的銪譜線’，我以為他在開玩笑，就說：‘哎呀，亞力克斯，你可能找到了一個(gè)R過程星系’。”事實(shí)上，他真的找到了[7]。Reticulum II 有七個(gè)恒星正在合成R過程元素，非常罕見的事情。

新型超新星

為了支持中子星融合的模型[7]，一切都顯得如此的恰到好處。中子星融合其實(shí)非常罕見，不像單一的大質(zhì)量恒星的崩潰，最后成為超新星，它需要兩個(gè)中子星在雙軌道上去合并，也許一億年才有一次。但反對(duì)者指出，你不能因?yàn)樗币娋头裾J(rèn)它的存在。

在我們的星系中，中子星融合也許一億年發(fā)生一次，也許一萬年就發(fā)生一次，相差近四個(gè)數(shù)量級(jí)。克里斯托弗·弗賴爾（Christopher Fryer，洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室）說：“那些認(rèn)為中子星融合能解釋R過程元素的人所采用的竟然是一萬年一次來計(jì)算，真讓我吃驚?！?/p>

當(dāng)弗賴爾和同事們使用相對(duì)折衷的頻率進(jìn)行中子星融合模擬，和估計(jì)所產(chǎn)生R過程材料的數(shù)量時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)中子星融合只能解釋宇宙中1%數(shù)量的R過程元素[8]。如果真實(shí)頻率是在一億年一次，那么中子星融合的貢獻(xiàn)值還會(huì)減少100倍。弗賴爾說：“更多的人開始重新思考問題——R過程是否還能出現(xiàn)在其它情況下？”

所以，超新星爆發(fā)重新成為焦點(diǎn)。如果有1%的超新星表現(xiàn)出非標(biāo)準(zhǔn)模擬的情形，那么它們可能以“巧克力制備的曲奇餅?zāi)Ｊ健爱a(chǎn)生出相當(dāng)數(shù)量的R過程元素。諾布亞·尼希默拉（Nobuya Nishimura,英國基爾大學(xué)的天文學(xué)家）和他的同事在近期的文章[9]中提出異議，超新星爆發(fā)除了通過中微子方式，還可以通過恒星爆炸的巨量磁性噴射物產(chǎn)生，后者會(huì)快速的生成大量的中子，從而使種核長成一些R過程元素。弗賴爾反駁道：“這不像你的茶話會(huì)，你只需要保持100毫秒就夠了！”

很多天文學(xué)家相信，這個(gè)答案將會(huì)以某種折衷的形式告終。而且，那種轉(zhuǎn)變可能已經(jīng)開始發(fā)生了。弗賴爾還說：“R過程已經(jīng)不再是以前的R過程了，也許可以把它分成兩半，比鋇輕的R過程元素來源于超新星，而較重的元素，比如金，則來自中子星的碰撞?！?/p>

再起波瀾

事實(shí)上，還有一匹黑馬一直潛伏著，那就是拉蒂默和施拉姆早期考慮過的模型——中子星與黑洞融合。其中，中子星就像在其它模型中一樣，仍然扮演著噴射物質(zhì)的角色，但是它的產(chǎn)生速率卻相對(duì)更模糊些。正如加卡（Janka）所說的那樣：“可能，它們就是產(chǎn)生R過程元素的主導(dǎo)過程，但我們并不是很清楚，我們需要更好的數(shù)據(jù)?！?/p>

也許在不久的將來我們就可以獲得這些數(shù)據(jù)，中子星與黑洞融合的最后一些軌道會(huì)讓時(shí)空極度扭曲以至于引力波都無法逃離。激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO,the Laser InterferometerGravitational-Wave Observatory）已經(jīng)成功的探測(cè)[10]到了黑洞融合過程所釋放的逐漸增強(qiáng)的信號(hào)，并且它現(xiàn)在正致力于[11]檢測(cè)遙遠(yuǎn)星系的中子星融合信號(hào)。越長時(shí)間不出現(xiàn)，這些事件發(fā)生的幾率就越小。一旦LIGO的運(yùn)行模式達(dá)到它所設(shè)計(jì)的極限檢測(cè)值仍沒探測(cè)到所要的信號(hào)，那將會(huì)是中子星融合模型的致命一擊。塞爾瑪·德明克（Selma de Mink,阿姆斯特丹大學(xué)的天文學(xué)家）說道：“如果LIGO一直無法探測(cè)到的話，那么拉米雷斯·魯伊茲和梅茨格等人就被打回到原點(diǎn)了。”

涉及R過程的事情本生就很困難，更不必說真正觀測(cè)它了。但有兩個(gè)團(tuán)隊(duì)[12]可能就做到了，2013年，雨燕（Swift）衛(wèi)星檢測(cè)到了短暫的伽瑪風(fēng)暴，那是中子星碰撞的一種體現(xiàn)，并且有些其他的望遠(yuǎn)鏡對(duì)信號(hào)放大處理后也得到相同的結(jié)論。

而在模擬過程中，中子星融合會(huì)伴隨產(chǎn)生出一種被稱為Kilonova的可觀測(cè)信號(hào)。激活的元素核在R過程中運(yùn)動(dòng)和發(fā)熱，造成系統(tǒng)陡然持續(xù)發(fā)亮近一個(gè)星期，然后才開始衰減。并且這些元素只能發(fā)出紅系光。而2013年的事件剛好符合上述兩個(gè)特征，當(dāng)然，這對(duì)于完美詮釋問題還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。梅茨格認(rèn)為，盡管沒能解決問題，但很有建設(shè)性。

發(fā)現(xiàn)Kilonova信號(hào)的研究者門大都開始期待，找到更接近、更精準(zhǔn)的Kilonova信號(hào)了，那就意味著LIGO關(guān)于中子星融合的信號(hào)會(huì)很搶手，同時(shí)也意味著需要更多望遠(yuǎn)鏡來找到信號(hào)源，至于要檢測(cè)到它的光譜，可能只有即將到來的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡才能做到了。如果真是這樣的話，那么看到新生的R過程元素或者從未知的現(xiàn)象中推斷出新事物將會(huì)成為可能。馮·文懷（wen-fai Fong，亞利桑那大學(xué)）說道：“我們對(duì)伽瑪暴的世界已經(jīng)比較熟悉了，它更像是一場(chǎng)比賽——看誰反應(yīng)快！”

參考文獻(xiàn)

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[12] Tanvir N R,Levan A J, Fruchter A S等.A/kilonova/’associated with the short-duration [ggr]-ray burst GRB [thinsp]130603B[J]. Nature, Nature Research, 2013, 500(7464): 547–549.

編輯：山寺小沙彌