地球上的黄金从何而来？除了中子星合并，超新星也能产生金元素

对于我们普通人来说，没有什么金属比黄金更加诱人了。

如果我问你的金项链或者其他黄金饰物是从哪来的，你肯定说花钱买的，或者说矿里开采的。这些说法都没错，但是追根溯源，它们都是宇宙中来的，然后和其他物质一起积累在地球上，才能被我们开采。

但是，宇宙大爆炸之后，整个宇宙中并没有金元素，整个元素周期表中只有氢、氦和极少量的锂被创造了出来。我们都知道其他的元素是靠这些元素聚变形成的，但是作为宇宙中最稳定的原子，铁就是这些聚变过程的终点。比铁还重的原子反而都有裂变的可能，那么它们又是怎么来的呢？

长期以来，科学家认为这些元素都是在超新星爆发或者是致密星碰撞事件中被极其惊人的能量促使产生的。到了2017年，在观测到了两个中子星合并过程中重元素产生的证据后，这个理论也更加牢固。

可是，就在科学家们自信找到终极答案的时候，一项新的研究给他们浇了一盆冷水。根据最新的星系化学演化模型，中子星的合并过程似乎不足以产生这些重元素。

莫纳什大学和澳大利亚ARC三维全天空天体物理学卓越中心（ASTRO 3D）的天体物理学家Amanda Karakas说：“在宇宙的早期，中子星合并并没有产生足够多的重元素，今天也没有。宇宙制造它们的速度还没有快到能够解释它们为何会出现在那些古老的恒星之中。而且，总体而言，也没有发生那么多的碰撞来解释今天这些元素的丰度。”

让我们把时间倒回到宇宙初期。

那个时候，宇宙大爆炸刚刚过去不久，整个宇宙还没有物质，而是处于夸克汤的状态。然后，宇宙逐渐冷却，夸克之间结合成为质子和中子，进而结合成为氢和氦。直到今天，这两种元素仍然占据着宇宙的绝大部分。

接下来，氢聚集成了恒星，在核心处进行核聚变，生成了更多的氦。在燃烧殆尽后，恒星内部开始新的核聚变，产生了碳和氧。然后更重的元素一点点出现，直至产生了铁。理论上铁也能发生聚变，但是铁聚变需要的能量比它产生的能量还要高，所以这种反应是不会自发进行的。

Karakas比喻说：“我们可以把这些恒星想象成巨大的高压锅，这里有新的元素被创造出来，这种制造新元素的反应也为恒星在数十亿年内发出的光芒提供了能量。随着恒星年龄的增加，产生的热量越来越多，也就有越来越重的元素被创造出来。”

至于比铁更重的元素，比如我们今天讨论的金元素，则需要通过快中子捕获过程（即r-过程），通过原子核与中子的碰撞来实现。这个过程要求发生得非常迅速，才能保证中子能够在原子衰变之前进入到原子核中。

这样的过程非常罕见，我们知道它通常出现在两颗致密星的合并过程中，如双中子星或者中子星与黑洞的合并，能够产生足够强大的能量引发这个过程。但是，该团队根据观测到的金元素推测中子星碰撞事件最低频率也比现在推测的频率高得多，这说明金元素还有其他的来源途径。

为了弄清楚这些元素的来源，该团队利用最新的天体物理学数据以及目前掌握的银河系内各元素的丰度，同时参考了理论上核物理过程的产量和发生的概率，建立了一个从碳到铀的所有稳定元素的银河系化学演化模型。

他们绘制了一个特殊的元素周期表，表中标注了他们模拟的各种元素的来源。这样的工作让结果十分明显：从宇宙早期到现在，中子星碰撞事件并没有以往我们想象的那么多。用Karakas的话说：“即使我们对中子星的碰撞频率进行最乐观的估计，也完全无法解释宇宙中这些元素的丰度。”于是问题来了，那些原本被认为产生于中子星合并的元素又是从哪来的呢？

Karakas等人认为，这些元素很可能产生于一种特殊的超新星爆发——磁旋转超新星。这种超新星出现于那些具有极强的磁场并且自转速度极快的恒星中，它们也可以释放出足够巨大的能量以引发r-过程。

而且，他们的研究显示，只要那些质量在太阳25-50倍之间的恒星中有一小部分具有这样的磁场和旋转特征，就能够解释这些元素的来源。“这太意外了，那些具有强磁场的高速自转恒星才是这些元素中绝大部分的真正来源。”

另外，此前也有研究指出，有一种叫做核心坍缩超新星的天体也可以导致重元素的产生。它们的质量是太阳的30倍以上，同样有着较高的自转速度，它们在坍缩为黑洞之前发生的超新星爆发就可以产生巨大的能量。这种超新星的出现概率比中子星碰撞还要少，但也是这些重元素的制造者之一，这些研究成果加在一起，和Karakas团队这一次的研究匹配得很好。

他们还发现，那些质量小于太阳8倍的恒星，会产生碳、氮、氟等元素，以及大约一半比铁重的元素。而那些大于8倍太阳质量的恒星则产生了绝大部分的氧和钙，以及碳和铁之间其他元素的剩余部分。

英国赫特福德郡大学的天体物理学家Chiaki Kobayashi指出：“除了氢之外，没有任何一种元素只能通过一个类型的恒星来形成。比如碳元素，有一半来自于濒临死亡的低质量恒星，另一半来自于超新星爆发；而铁元素有一半来自于大质量恒星产生的普通超新星，还有一半则是来自于另一种形式，那就是Ia型超新星。”

总之，我们所佩戴的饰品中的黄金，不一定来自于中子星的碰撞，也可能来自于上述两种特殊形式的超新星。

另外，这项研究也没有盖棺定论，毕竟科学家发现并利用引力波的历史才只有5年，也许随着引力波发挥的作用越来越广，我们会发现中子星碰撞事件没有目前认为的那么少。另外，本次研究中的模型显示的银元素含量又比实际观测的更多，这个问题他们还没有给出答案。

总之，我们今天看到的一切元素，要么是宇宙大爆炸产生的（氢和氦），要么是超新星或者是致密星碰撞等重大天文事件中产生的。若不是有这些轰轰烈烈的“宇宙级灾难”爆发，恐怕今天也没有这么繁华的世界。