《科学画报》
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黄金起源之谜
2022-08-09 00:40:00散发着金黄色光芒的黄金饰品受到很多爱美人士的青睐，但你可能不会想到，黄金的诞生可能会追溯到宇宙中的第一批古老恒星。
“身份成谜”的黄金
2021年9月，我国在三星堆遗址考古发掘中，首次出土了一副完整的黄金面具，它历经千年仍熠熠生辉。这也表明了古代的先民就已经发现了黄金，并把黄金视为财富和权势的象征。 黄金具有良好的稳定性，且相当稀少，基本无法人工制造，因此黄金天然具有贵金属的属性，自古以来就是公认的硬通货。在西方，炼金术士痴迷于制造黄金，但从来没有成功过。既然黄金如此难以合成，那么，黄金最初是如何形成的呢? 我们所熟悉的大多数元素——碳、氧、氮等，它们的起源目前已经被明确，是通过核聚变在恒星的核心处产生的。但是普通核聚变的能量只够产生较轻的元素，要想创造出原子质量更大的元素，需要一个更强大的过程。但我们不清楚这一过程是如何发生以及在哪里发生的。与金类似，还有数十种原子质量更大的元素，它们的身份也是扑朔迷离，可以说元素周期表中有一半元素的起源都是未知的。 化学元素是构成一切物质的基本要素。每一种元素通常都是由三种粒子组成：带正电荷的质子和中性中子组成原子核，核外轨道上环绕着更小的带负电荷的电子。原子核中的质子数决定了这种元素的性质，金原子中包含79个质子。 恒星最初诞生时几乎全部由最轻的化学元素氢组成，氢原子由一个质子和一个电子组成。很快，核聚变使氢原子合并形成氦原子，氦原子有两个质子。持续不断的核聚变过程会陆续产生原子质量更大的元素。 但随着原子核越来越大，将它们彼此推开的电磁力变得更加强大，使它们无法靠近并聚变成原子质量更大的元素。除了聚变为有26个质子的铁之外，恒星中几乎从未发生过进一步的核聚变过程。
黄金的形成机制
那么重元素是如何产生的呢？
20世纪50年代，一些物理学家提出：除了核聚变，还有另一种过程可以形成重元素。中子不带电荷，不受电磁力的阻碍，如果一个原子在一个中子“呼啸而过”时将其捕获，它就会成长为具有更大原子质量的自身的同位素。外来中子一旦进入原子核，就会在被称为β衰变的放射性过程中衰变为一个质子和一个电子，从而形成一个原子质量更大的新元素。 原子对外来中子的捕获过程有两种形式，第一种被称为慢中子捕获过程（或s-过程），它可能发生在被称为红巨星的濒死恒星上。我们可以观察红巨星发出的光，找出恒星中不同元素吸收它的特征方式。光谱数据表明，这些恒星确实含有一些重元素。但s-过程非常缓慢，一个原子核大约一个月才能捕获一个中子。这不足以解释我们在宇宙中看到的所有重元素。第二种过程被称为快中子捕获过程（或r-过程）。在这一过程中，原子被大量中子淹没，迅速膨胀到巨大的体积。然后它们通过放射性衰变成为一系列重元素。物理学家认为这是宇宙中大部分重元素的形成过程，包括金。 但是，足够大的中子潮是如何形成的呢？长期以来，天体物理学家一直认为答案是超新星爆发。不过，近20年来的研究表明这个答案是错误的。首先，科学家用计算机模拟了超新星爆发期间的r-过程，这些模拟中产生的不同元素的丰度与真实的爆炸光谱观测结果并不一致。其次，超新星爆发留下的尘埃偶尔会飘进地球的大气层，并沉淀在海洋底部和南极的冰层中。而这些尘埃中并不包含哪怕一丁点的金元素，这表明超新星爆发不是金元素的来源。
1974年，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的科学家提出，金元素可能是在宇宙天体碰撞中形成的。如果制造重元素需要大量的中子，那么也许它们的起源与中子星有关。顾名思义，这些密度极高的星体中大部分是中子，是处于演化后期的恒星。中子星通常成对形成，然后围绕彼此旋转，最终在一场被称为千新星（kilonova）的灾难性爆炸中相撞，由此产生的中子潮足以启动r-过程。 21世纪初，美国天文学家布莱恩·梅茨格开始为这一想法寻找支持性证据。他意识到，千新星中的r-过程将涉及一个巨大的放射性衰变级联，这将在宇宙中形成一个独特的耀斑。2010年，他预测了产生元素的中子星合并产生的光的强度。其他科学家的进一步研究表明：产生较轻的元素时，耀斑是蓝色的；之后产生像金这样的重元素时，耀斑会变为红色。
“嗡嗡声”和“啾啾声”
与此同时，其他物理学家在建造以一种完全不同的方式观察宇宙的装置——激光干涉引力波天文台（简称LIGO），它的探测器可以测量引力波（引力波是由宇宙天体碰撞引起的时空振动）。2017年，LIGO观测到两颗中子星相撞的清晰信号：当它们螺旋式靠近时，出现了频率越来越高的“嗡嗡声”，它们相撞时发出“啾啾声”。 物理学家对千新星发出的光进行了观测，发现千新星喷发出了一波奇异的元素，而且其中还包含金元素的特征光谱指纹。梅茨格说：“在人类的历史上，我们第一次直接看到了重元素的天然合成。” 现在大多数物理学家都同意千新星确实能够创造黄金，但它似乎也不足以解释宇宙中所有的重元素。 例如，在笼罩我们银河系的漫射晕中，有一些恒星是非常古老的，在那个时代几乎没有任何恒星死亡。因此，如果r-过程元素是由千新星产生的，那么这些古老恒星中不应该包含这类元素。然而，天文学家发现，这些古老恒星中实际上包含很多的r-过程元素。这意味着这些元素一定还能通过其他的过程创造出来。 一种合理的解释是：第一批恒星出现时的宇宙与现在完全不同，那时恒星的体积比现在大很多倍，当它们到达生命的尽头时，并不一定会爆炸成典型的超新星。有些恒星可能在其巨大的引力下坍缩，并爆发出难以置信的强大辐射。这些事件被称为“坍缩星”，在此过程中，形成了比铁原子质量更大的重元素。 到现在为止，我们对黄金这一令人喜爱的金属的起源有了更多了解。它们一些是在千新星中产生的，更多的是在坍缩星中产生的。但即使是这两个来源也不能解释宇宙中所有的黄金。所以，黄金的起源仍是“犹抱琵琶半遮面”，有待进一步的探究来揭开其神秘“面纱”。
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