地球上的金子從哪來

據(jù)估計(jì)，中子星的一次碰撞，能夠形成足有300個(gè)地球那么重的黃金。這些“宇宙焰火”的余燼，被撒入廣袤無垠的宇宙，其中一部分在46億年前與地球凝為一體。它們又被開采鍛鑄，成為人類手中的金幣，項(xiàng)上的首飾……

藝術(shù)家想象的雙中子星合并時(shí)發(fā)生的猛烈爆炸。扭曲的時(shí)空網(wǎng)象征著爆炸發(fā)出的引力波，上下兩道光柱代表的是在發(fā)出引力波僅幾秒鐘后會(huì)噴射出的伽馬射線

北京時(shí)間10月16日22時(shí)，全世界的望遠(yuǎn)鏡都在同一時(shí)間指向了同一個(gè)方向，全球各大天文臺(tái)一起刷屏。被“重磅預(yù)警”吊足了胃口的讀者，發(fā)現(xiàn)并不是找到了外星人的存在，而是“雙中子星并合產(chǎn)生的引力波，及其光學(xué)對(duì)應(yīng)體”。中子星是什么？引力波是什么？光學(xué)對(duì)應(yīng)體又是什么？最重要的是，這和日常生活有什么關(guān)系？

如果一定要說和我們的日常生活最緊密的聯(lián)系——那就是，科學(xué)家們這次證實(shí)了，中子星并合，是宇宙中比鐵還重的元素的起源，比如我們熟悉的金子。換句話說，中子星并合，是宇宙的大型“煉金爐”！

宇宙中的金子，從何而來

長久以來，科學(xué)家們都無法確定宇宙中的金、鉑、鈾等重元素從何而來。

宇宙早期只有氫、氦等氫元素，一顆恒星的命運(yùn)就從這里開始。在恒星隨后的演化過程中，隨著核聚變反應(yīng)，質(zhì)子數(shù)更高的重元素得以生成。然而，宇宙天然的核聚變，最重只能產(chǎn)生到包含26個(gè)質(zhì)子的鐵元素。這是因?yàn)?，鐵元素的核子結(jié)合能到達(dá)了一個(gè)頂峰，把其中的質(zhì)子和中子拆開，需要極高的能量，恒心內(nèi)部這個(gè)“煉金爐”，并不能滿足。

科學(xué)家們一度認(rèn)為，恒星壽命末期的超新星爆炸，足夠提供這種能量。然而，這個(gè)假設(shè)逐漸被后續(xù)的發(fā)現(xiàn)擊破。

宇宙需要一個(gè)更大、更熱的煉金爐。在過去幾年間，天文物理學(xué)家們開始形成主流認(rèn)識(shí)：中子星并合是最有說服力的機(jī)制。

中子星的密度之大：一茶匙重達(dá)10億噸

當(dāng)一個(gè)恒星走向壽命盡頭，經(jīng)由引力坍縮發(fā)生超新星爆炸，根據(jù)質(zhì)量的不同，內(nèi)核可能被壓縮成白矮星、中子星或黑洞。中子星幾乎完全由中子構(gòu)成，是目前已知的最小、致密的恒星。中子和質(zhì)子一樣，都是組成原子的粒子，但呈電中性，比質(zhì)子略大。

中子星的半徑普遍在10公里左右，質(zhì)量卻可超過兩個(gè)太陽。一茶匙中子星物質(zhì)就重達(dá)10億噸。

1933年，人類發(fā)現(xiàn)了中子。次年，美國物理學(xué)家沃爾特·巴德和瑞士弗里茨·茲威基提出了中子星的假設(shè)。

1967年，24歲的劍橋大學(xué)女研究生喬斯林·貝爾從射電望遠(yuǎn)鏡中發(fā)現(xiàn)了一些有規(guī)律的脈沖信號(hào)。這類新的天體后來被命名為脈沖星，其實(shí)，它們本質(zhì)上是高速旋轉(zhuǎn)的中子星，在旋轉(zhuǎn)過程中周期性地發(fā)射出電磁波。

中國貴州“天眼”射電望遠(yuǎn)鏡近日成功捕獲到了脈沖星信號(hào)，標(biāo)志著中國進(jìn)入脈沖星觀測俱樂部。

兩顆中子星圍繞共同的中心旋轉(zhuǎn)，就構(gòu)成了一個(gè)雙中子星系統(tǒng)。它們在旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)不斷釋放引力波，導(dǎo)致系統(tǒng)的能量降低，軌道縮小，并最終撞在一起，發(fā)生并合。科學(xué)家們現(xiàn)在還不確定并合后的形態(tài)，很可能是一個(gè)黑洞。

并合：電光石火，金銀迸濺

超鐵元素就誕生在此時(shí)。雙中子星并合過程中，不斷甩出一些中子星碎塊——大部分是中子，少數(shù)是質(zhì)子。

在碰撞發(fā)生的一秒鐘內(nèi)，這些中子星碎塊擴(kuò)散到數(shù)十公里開外，形成一團(tuán)與太陽密度相當(dāng)?shù)脑?。在這個(gè)“煉金爐”中，中子和質(zhì)子們互相俘獲，形成大量富含中子的不穩(wěn)定的同位素。中子會(huì)迅速衰變?yōu)橘|(zhì)子，形成金等重元素。

據(jù)估計(jì)，中子星的一次碰撞，能夠形成足有300個(gè)地球那么重的黃金。這些“宇宙焰火”的余燼，被撒入廣袤無垠的宇宙，其中一部分在46億年前與地球凝為一體。它們又被開采鍛鑄，成為人類手中的金幣，項(xiàng)上的首飾……

這次為中子星并合形成重元素提供重要佐證的，就是并合后的光點(diǎn)顏色由藍(lán)變紅，與理論模型預(yù)測相吻合。

“宇宙焰火”的余暉

除了可見光和紅外線外，中子星并合時(shí)形成的吸積盤會(huì)在旋轉(zhuǎn)軸處形成伽馬短暴，該信號(hào)在引力波到達(dá)地球2秒鐘之后也被觀測到。

在其后數(shù)周內(nèi)，這場大并合仍會(huì)繼續(xù)發(fā)出其他頻段的光，包括X射線、紫外線、可見光、紅外線以及射電波等，是“宇宙焰火”漫長的余暉。

回到事件的開頭。在這場“煉金”的“宇宙焰火”中，引力波扮演了怎樣的角色呢？

原來，前面提到的可見光、紅外線、紫外線、X射線、伽瑪射線等，都是電磁波，是由光子承載的光學(xué)信號(hào)。長期以來，這幾乎是科學(xué)家們用于感知宇宙的唯一一扇窗口。

而引力波是由質(zhì)量引發(fā)的時(shí)空扭曲，被人形象地比喻為“時(shí)空的漣漪”。當(dāng)我們想象一件有質(zhì)量的物體落入水面，就會(huì)產(chǎn)生一系列振動(dòng)傳播看來。我們的宇宙也如水面一般，整體平靜，暗流洶涌，質(zhì)量的擾動(dòng)會(huì)觸發(fā)引力波，散播開來。中子星并合事件，就能產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的引力波。

引力波是愛因斯坦廣義相對(duì)論中的重要推論，然而，因宇宙中傳到地球的引力波過于微弱，愛因斯坦本人也想不到探測的方法。這個(gè)“時(shí)空的漣漪”，最終在2015年由激光干涉儀引力波天文臺(tái)LIGO團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)。

LIGO過去4次探測到的引力波，均由黑洞觸發(fā)。黑洞吸收光線，可謂“聽到看不著”。這次，LIGO在識(shí)別出比黑洞質(zhì)量小得多的天體——中子星觸發(fā)的引力波信號(hào)后，全球70多架望遠(yuǎn)鏡紛紛指向1.3億光年外的NGC 4993星系，觀看“焰火”。

從此，人類對(duì)浩瀚宇宙的感知方式，從單純的“看”之外，又增添了一種，可相互印證。科學(xué)家們稱之為“多信使天文學(xué)”時(shí)代。

這或許比我們找到金子的起源更為重要。

（澎湃新聞網(wǎng)2017.10.17）