黃金的真正起源是什麼？中子星合併不足以解釋一切

儘管黃金在地底蘊藏了數十億年 但它最早於公元前四千年左右 在古代美索不達米亞和埃及被發現 很可能是早期人類在取水或狩獵時 在河牀上發現了閃閃發光的金塊 這種光澤亮麗 延展性極佳的金屬的魅力顯而易見 促使古代居民開始收集並將其用於裝飾 隨着時間的推移 文明不斷發展 黃金的開採和提煉技術日趨成熟 最終在世界各地的不同文化中 黃金成爲一種貨幣 也是財富和權力的象徵 15至16世紀的地理大發現時代 人們在美洲發現了新的賦金礦區 這極大地促進了歐洲經濟和全球貿易網絡的發展 19世紀的淘金熱潮 例如1848年的加州淘金熱 進一步加劇了人們對這種貴金屬的追尋 在地球上 也在宇宙的各個角落 我們都能發現種類繁多的天然元素 到目前爲止 人類已經在不同的天體環境中 探測到超過90種原子 從最輕的輕 一直到最重的步 然而從天文學的角度來看 宇宙中真正能夠製造這些最重元素的世界 其實屈指可數 那麼這些銀 鏈 鎢 鉢 金 汞 鈾 這些沉甸甸的重元素究竟來自何處 在整個20世紀 甚至進入21世紀很長一段時間裏 我們只有理論推測 卻遲遲沒有觀察上的確證 這一切似乎在2017年8月17日 發生了戲劇性的轉折 我們第一次探測到一對中子星合併的信號 這是一場足以誕生黑洞的劇烈爆炸 也就是所謂的千星星 這次事件發生在距離地球僅1.3億光年的一個星期中 也是人類觀測到的第八個引力波事件 更令人興奮的是 這次中子星中子星的猛烈碰撞 在它的餘暉裏揭示出大量新生成的重元素 其中甚至包括了驚人的黃金 如果把這些黃金放到天平上 它的重量大概是月球的20倍 當時科學家幾乎認爲謎底已經揭開 黃金、鉑金等最重的元素 就是在這樣的中子星合併中誕生的 然而七年過去了 我們逐漸發現一個更大的問題 宇宙中的黃金數量 似乎遠遠超出中子星並核所能生產的上限 換句話說 我們曾經最有希望最被廣泛接受的黃金起源理論 如今看起來已經對不上賬了 接下來讓我們看看 爲什麼關於黃金起源的最佳解釋 可能根本算不起來 每當你建造一臺探測和研究宇宙的儀器時 你都會不自覺地做出一個假設 你所觀測到的 無論在時間還是空間上 只要是你能夠測量的宇宙的一部分 就能很好的代表浩瀚宇宙中所有天體的全部特徵 當我們用望遠鏡觀測宇宙時 我們不需要觀測整個天空 我們只需要觀測天空的一部分 然後將我們在該區域觀測到的現象外推 從而推斷其他區域的天體總體情況 同樣的 當我們觀測一個相當大的空間區域足夠長的時間 例如8小時46分鐘 我們就可以通過簡單地將觀測到的事件發生率外 推到我們收集數據的時間段內 但是 這種方法存在一個缺陷 有時候 你會很幸運 因爲你恰好在正確的時間出現在正確的地點 看到了罕見的事件或物體 結果大大高估了這類事件發生的頻率 有時候 你會很不幸 因爲你恰好在某個特定的時間和地點觀察 而那個時間和地點並沒有發現這類事件或物體 所以錯過了相對常見的事件或物體 只有擁有更好更全面的數據 我們才能消除這些潛在的偏差 2017年8月17日發生的事件向全世界公佈時 同時發佈的還有一段如今廣爲人知的視頻 視頻中 激光干涉銀利波天文臺執行主任大衛 賴茨博士拿出他曾祖父的金錶 這件文物本身也已超過百年曆史 並宣佈 這塊表裏的黃金很可能是在大約數十億年前 兩顆中子星碰撞時產生的 此外 還產生了許多其他類似的重元素 包括鉢和鈾 僅這一事件就產生了相當於 約16000個地球質量的重元素 約佔太陽質量的5% 基於以下幾點 LIGO和VIRGO等銀利波探測器的運行時間 這些探測器能夠觀測到信號的天空覆蓋範圍 這些探測器的靈敏度 包括能夠觀測到距離地球多遠的此類事件 當時觀測到的黑洞與黑洞併合 中子星與中子星併合 以及黑洞與中子星併合的事件發生率 以及此次千星星事件中產生的重元素總量 這個謎團似乎已經解開了 宇宙中的黃金 以及幾乎所有高以上的重元素 主要產生於中子星 中子星併合事件中 但接下來的七年裏發生了一件奇怪的事情 一直延續至今 迄今爲止 我們只探測到過另一次中子星中子星併合事件 而且與第一次併合事件不同的是 它既沒有產生千星星 也沒有產生任何重元素 儘管之後又進行了數年的觀測 對先有探測器進行了重大升級 以提高其靈敏度範圍 並且隨後觀測到了大量的黑洞黑洞併合事件 以及許多黑洞中子星併合事件 引力波事件的總數超過100次 但2017年8月17日發生的那次併合事件 仍然是唯一一次直接觀測到 併產生重元素的中子星中子星併合事件 這給我們帶來了一個非凡而重要的啓示 我們最初的估計 宇宙中最重的元素約100% 是由中子星中子星併合產生的 不再與我們收集到的數據相符 一定還有其他因素在起作用 是我們目前尚未發現的 三種可能的解釋立刻浮現在腦海中 但這三種解釋都存在複雜的問題 或許過去中子星併合的速率比現在更高 或許最亮 能量最高的超新星產生的重元素比預期更多 而這些重元素甚至對高以外的元素 也起着重要作用 又或許 在眼花橫行的巨星階段 中子的緩慢積累使得元素 能夠沿着元素週期表向上移動 從而形成我們觀測到的那些重元素 然而 每一種解釋都頗具說服力 但也存在缺陷 宇宙中可能產生黃金的情況有哪些 科學家們想到了以下情景 情景一 中子星併合率不斷演化 且過去更高 當我們眺望宇宙深處時 我們也彷彿在回望過去 然而 就探測中子星併合事件而言 即使是我們最強大的引力波天文臺 也只能探測到距離地球數億光年以內的事件 雖然這涵蓋了數百萬個星系 並將我們帶回數億年的宇宙歷史 但我們必須記住 自宇宙 大爆炸發生至今已過去了138億年 就中子星併合而言 我們只能探測到宇宙歷史中 過去1到30%間內發生的併合事件 那些會產生青青青的中子星中子星併合事件 即那些不會直接坍縮成黑洞 且不噴射任何物質的事件 也會產生短週期伽馬射線暴 因此 人們可能會想到追蹤觀測到的短週期伽馬射線暴的數量 並觀察其發生頻率在宇宙歷史中是否發生變化 然而 遺憾的是 迄今 爲止探測到的所有類型的伽馬射線暴不足2000次 其中只有約四分之一的伽馬射線暴擁有相關的紅移距離測量數據 而且大多數是長周 期或超長週期伽馬射線暴 而非短週期伽馬射線暴 換句話說 我們目前收集到的數據並未顯示中子星合併率有任何演變跡象 然而 現在就排除這種可能性還爲時過早 畢竟 中子星是由大質量恆星的殘骸形成的 這些恆星誕生後耗盡燃料 最終在一次劇烈的超新星爆發中消亡 如果兩顆質量相近的恆星在彼此靠近的位置形成 它們的壽命也大致相同 最終的命運也可能大致相同 也就是說 如果你想觀測中子星與其他中子星的合併 你應該關注過去幾億年間大質量恆星形成 演化和消亡的環境 但如今 新恆星的形成速度與宇宙早期恆星形成的洪流相比 簡直是微乎其微 如今的恆星形成率僅爲宇宙鼎盛時期的3%左右 很有可能 在恆星形成較多的年代 雙星系統中也形成了較多的中子星併發生合併 我們宇宙 星系和太陽系的大部分最終元素都是在很久以前形成的 而這需要未來的天文臺和更先進的技術才能確定 情景二 最亮能量最高的超新星會產生大量的重元素 雖然很容易將所有類型的重元素產生都歸爲核聚變 但實際情況要複雜得多 核聚變通常是指星元素在極高的溫度和密度下 通過核反應聚變成重元素 但這些過程通常發生在恆星的核心 其範圍有限 最多隻能產生鐵、鎳和鈷等元素 無法再進一步 超過這個範圍 原子核聚變在能量上就變得不利 因此這些反應不會自發發生 但是你可以通過像已有的重元素 中天加中子來繼續向上延伸元素週期表 而核心探索的超新星事件會在極短的時間內產生大量的粒子 其中可能包括中子 許多天體物理學家或許也曾思考過 一顆質量足夠大的恆星探索是否會導致這些重元素的產生 2022年10月9日 天文學家探測到了有史以來最亮的伽馬射線暴 簡稱爲BOVT 他們認爲 一旦伽馬射線暴的初始光芒消退 這將是一個絕佳的試驗場 可以用來檢驗此次事件之後是否產生了重元素 如果答案是肯定的 那麼它可能會改變我們對這些重元素起源的認知 利用詹姆斯、韋伯太空望遠鏡的數據 由大約20幾位天文學家組成的合作團隊 對造成有史以來最亮伽馬射線暴的超新星遺蹟進行了光譜分析 並明確地得出結論 答案是否定的 這次觀測到的最亮伽馬射線暴似乎起源於一顆普通的超新星 無論是什麼因素產生了這次災難中的伽馬射線暴部分 很可能是快速旋轉 相磁場以及輻射噴流的緊密準值等因素共同作用的結果 似乎都沒有產生任何顯著數量的重元素 相反 這些後續觀測表明 普通超新星不會在短時間內連續產生大量中子 不會產生數量巨大甚至相當數量的重元素 也不會提供天文學家所謂的二過程物質的關鍵來源 這表明 產生明亮伽馬射線噴流的超新星並非宇宙中重元素的罪魁禍首 這原本是一個巧妙而合理的設想 但如今關鍵證據已然出現 結論是它們並非重元素的來源 正如該研究的合著者阿什利·維拉爾所說 有人曾假設 像BOAT這樣的明亮伽馬射線泡可以產生大量重元素 例如金荷鉢 如果他們的假設正確 那麼BOAT應該是一個金礦 令人驚訝的是 我們並沒有發現任何這些重元素的證據 星景三 普通的 演化的恆星通過緩慢地向已存在的風度元素中 添加中子來產生這些重元素 然而 在質量巨大的演化恆星的核心 會發生聚變反應 這些反應會頻繁地產生中子 但產生過程需要數千年 而不是像二過程那樣 在短時間內爆發 這些中子主要在碳聚變和奶聚變過程中釋放 可以被任何原子核吸收 無論是氫原子核 中等原子核 還是重原子核 如果新的原子核中中子過多 其中一箇中子就會發生β衰變 衰變成一個質子 從而使原子在元素週期表中 躍升到更高的元素序號 與快速的二過程不同 這種緩慢的中子孵化過程被稱爲S過程 這個過程已被充分理解 並且確實發生在恆星內部 它產生了相當一部分天然存在的元素 包括錫,面,一些藍錫元素 鎢,汞,甚至鉛 然而 有些元素卻無法通過這種方式形成 如果新的同位素通過釋放一個氦核 而變得更加穩定 它就會自發地釋放氦核 從而阻止某些元素的形成 此外 這種方法無法產生比比更重的元素 因爲當比209補或一箇中子時 它首先發生β衰變生成鉢 然後再次發生α衰變生成鉛 從而阻止了鎢,雷,土,油和布等最重元素的形成 這種方法可以產生一些重元素 但無法解釋所有重元素的來源 綜上所述 這意味着我們對宇宙中最重元素的形成機制 從遙遠的星系到我們自己的星球 仍然缺乏深入的瞭解 演化後的恆星只能產生其中一小部分元素 超新星似乎無法大量產生這些元素 而由兩顆中子星合併引發的千新星爆發 其頻率又不足以解釋我們觀測到的元素 必然存在着我們目前尚未了解的因素 雖然默認的解釋可能是千新星爆發的頻率 在過去一定遠高於現在 但從科學角度來看 最負責任的做法是承認我們對此一無所知 並且必須收集關鍵數據才能找到答案 或許最有效的策略是支持建造下一代地面引力波探測器 其激光臂的長度大約是目前運行的LIGO的10倍 LIGO的激光臂長度爲4公里 這將極大地擴展我們觀測中子星併合事件的範圍 從數億光年擴展到數十億光年 顯著提升我們的搜索範圍 並使我們能夠回溯宇宙航 新形成速率遠高於現在的時期 然而目前我們不得不承認 我們現有的關於重元素起源的最佳解釋都無法自圓其說 爲了找到最佳的科學答案 我們還需要開展更多研究