藏在宇宙的煉金術士

王妃

在歷史上，黃金以其珍貴和稀有，吸引了許多煉金術士，他們想將普通物質“點石成金”，沒日沒夜地鼓搗煉金爐，但無論怎么努力，都沒法實現普通金屬變貴金屬這一美夢。

不僅人類難以點石成金，就連恒星這個“大熔爐”也沒法煉出金子。我們知道，動植物、礦物包括黃金，即地球上所有的元素最初都來自太空。

然而，宇宙大爆炸后，在最初的幾分鐘內，僅產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部通過核聚變形成的，但這個過程到鐵元素形成后就停止了，因為鐵的原子核是所有重元素中最穩定的。

那么，在宇宙，比鐵更重的金元素來自哪里呢？

重金屬元素的起源

為了獲得比鐵更重的元素，我們需要用到一個小助手——中子。這是由于中子不帶電，當其轟擊鐵核時，會比較容易與鐵核結合。

中子轟擊鐵核時會出現兩種情況：“慢中子俘獲”和“快中子俘獲”。當種子核（如鐵核）俘獲一個中子之后，形成一個質量數大1，質子數保持不變的同位素原子核。但這種新形成的原子核是不穩定的，會發生β衰變（即釋放出一個電子）。由于電子帶一個單位的負電荷，衰變后的原子核原子序數反而增加了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。這個過程就是“慢中子俘獲”，又稱S進程，會產生鍶、鋇以及鉛等元素，這種反應一般在中子流的強度比較小（或者說中子比較少）的情況下發生。

快中子俘獲，又稱R進程，是種子核（如鐵核）俘獲一個中子之后，形成一個質量數大1，質子數保持不變的同位素原子核。新核還沒來得及發生β衰變，第二、第三個中子又被它俘獲了，因此就形成了質量數越來越大的同位素原子核。直到質量大到不能再大的時候，才發生β衰變。這個過程會形成更重的元素，包括鈾和黃金。這種反應一般在中子流強度比較大（或者說中子比較多）的情況下發生。

籠統地說，慢中子俘獲就是中子進來一個，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，要想產生黃金，在宇宙深處，必須發生R進程。而如果R進程得以發生，就必須滿足以下條件：

首先，要擁有相對較純、不含雜質的中子源。

其次，你需要一個重元素原子核（比如鐵）作為“種子”，以便俘獲那些中子。

最后，這些物質需要在高溫、炙熱的環境中融合。最好是在大爆炸的環境中發生，因為金子都需要從恒星內部高速拋灑出來，才能行進很遠的距離。

第一位煉金術士：超新星

根據這些線索，人們揪出了躲在宇宙深處的第一位煉金術士：超新星。

大質量的恒星，其核心由于持續不斷地聚變，形成更重的元素。起初，聚變產生的熱膨脹力足可抵抗巨大的引力。但是，待到聚變持續到鐵這一步時，由于不能進一步發生核聚變，恒星的熱膨脹力失去了，于是在引力作用下發生坍塌，坍塌過程中產生巨大的能量，此即超新星爆炸。

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

20世紀90年代，科學家們用計算機模型還模擬出了這一壯麗的場景。當大質量恒星核心坍塌后半秒，會持續噴出中子流，持續時間超過1分鐘。同時，鐵核會不斷捕獲中子，產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，超新星爆炸，產生黃金的說法是最令人信服的。然而，隨著計算機模型越來越精確，人們發現超新星這位煉金術士可能能力有限，因為中子星噴出的中子似乎還太少，只能造出個小型的“金庫”，還不足以解釋宇宙中存在的那么多大型的“金庫”。

比如，1985年美國和歐洲共同體發射的一顆衛星，曾經探測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，大小為太陽的3倍。科學家們推測，在其表面就有黃金1000億噸以上，是地球上黃金含量的100多萬倍。超新星爆炸顯然還不足以產生這么大的黃金量。

這樣，科學家們又得回到原點。但他們堅信，中子星是金子產生的最必不可少的環節。因為在宇宙內，只有中子星才有如此多的中子。問題只是，中子星有很強的引力場，如何才能讓中子星大量噴發中子呢？

更偉大的煉金術士

1974年，射電天文學家發現首個雙中子星系統。它們互相圍繞對方旋轉，并在不斷失去能量，這意味著它們終有一天會發生碰撞。

想象一下，當兩顆中子星最終融合成更大的中子星或一個黑洞前，在最后的幾次旋轉中，它們是不是會受到彼此龐大的潮汐力的作用而噴射出大量的物質？而這才是宇宙中金子最大的來源。

美國哥倫比亞大學理論天體物理學家用計算機模擬再現了這一輝煌的造金場面。在融合前，每顆中子星的后面都拖著長長的尾巴（被對方引力拉扯出來的中子星碎片），它們會被加熱到數十億攝氏度。重核大約能在1秒內形成，這些中子星碎片里有著如此多的中子，每一個都是一個超大的原子核（這個原子核里沒有質子，只有中子。事實上，我們可以把整個中子星看成一個超大的原子核）。但這些中子星碎片是不穩定的，里面會不停地發生衰變，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生金子。但是這兩位煉金術士本事有很大差異。超新星爆炸可以產生相當于月球體積的黃金，而中子星融合則可產生類似木星體積的黃金，后者比前者多數千倍！兩個中子星的融合才是宇宙最大的煉金術士！

哈佛史密森天體物理中心的天文學家曾觀測到一起短時間的伽瑪射線爆發事件，而這起事件正是由兩顆中子星互撞造成的。科學家們在持續數天的爆炸聲中，發現有大量重元素產生的特征，其中就包含金元素。里面金元素的含量，約相當于月球質量的10多倍！

爭議不止

這樣說來，中子星融合才是深藏在宇宙的最偉大煉金術士？

事情沒有那么簡單。一些科學家認為這樣的天文事件非常罕見。因為與超新星爆發不同的是，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解釋宇宙中金子的主要來源，似乎并不可靠。

支持超新星爆炸說的科學家們相信，如果超新星爆炸時，在強大磁場的驅動下，中子也許會噴發得數量更多、速度更快，允許鐵核更容易捕獲它們，其產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創造者。

現在科學家們都在努力尋找證據，證明各自的觀點。比如，超新星爆炸后，它們產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。通過調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，說明地球上的金元素確實都來自超新星爆發。若不相符，那么地球上的金元素可能還有其他來源。而中子星融合前，會對時空產生巨大影響，產生引力波，科學家們可以通過“聆聽”引力波，來獲取中子星融合的信息，或者是通過捕捉短伽馬射線暴發事件，來跟蹤中子星融合時間。通過這種方法，就可以知道中子星融合產生金子的數量。

無論最終結果是什么，也許科學家們會發現另外一個煉金術士，但我們現在可以為金子之所以那么惹人愛，找到了一個更浪漫的理由，即我們佩戴的是來自宇宙深空的星塵碎片。