比其他金屬都“重”的金元素，在宇宙中是如何產生的？

歷史上，黃金因其稀有性和稀有性吸引了眾多“鍊金術士”。他們一直想“把普通材料變成黃金”，日夜在鍊金爐邊上忙碌，但無論他們怎麼努力，都無法實現把普通金屬變成貴金屬的夢想。

不僅人類很難把石頭變成金子，有時候連恆星的“大熔爐”也產不出金子。我們幾乎都知道，動物、植物、礦物，各種金屬，當然也包括黃金，地球上幾乎所有的元素都來自太空。

然而，在大爆炸後的最初幾分鐘內，只產生了週期表的前四種元素：氫、氦、鋰和鈹。所有比鈹重的元素都是由恆星內部的核聚變形成的，但這一過程在鐵形成後就停止了，因為鐵原子核是所有重元素中最穩定的。

那麼，比鐵重的黃金在宇宙中從何而來呢？

重金屬的來源

為了得到比鐵重的元素，需要使用一個小的“助手”——中子。這是因為中子不帶電，當它們轟擊鐵芯時，更容易與鐵芯結合。

中子轟擊鐵心時有兩種情況：“快中子俘獲”“慢中子俘獲”和。當種子核（如鐵核）捕獲一箇中子時，就會形成一個質量為1、質子數恆定的同位素核。然而，最早形成的原子核幾乎是極其不穩定的，將經歷β衰變（即釋放一個電子）。因為電子攜帶一單位的負電荷，衰變後原子核的原子序數增加1。這樣，元素週期表的元素就形成了，緊靠著種子核。這個過程被稱為“慢中子俘獲”，也稱為“s過程”。將產生鍶、鋇、鉛和其他元素。這種反應通常發生在中子流強度相對較低（或中子較少）時。

快中子俘獲，又稱R過程，是種子核（如鐵核）俘獲中子形成質量為1、質子數恆定的同位素核的過程。在新核發生β衰變之前，它俘獲了第二和第三個中子，形成了質量增加的同位素核。直到質量大到不能再大，β衰變才會發生。這個過程會產生比較重的元素，包括鈾元素和金元素。這種反應通常發生在中子流強度較高（或更多中子）時。

一般來說，慢中子俘獲是指一箇中子進入並衰變一次；快中子俘獲是指一次俘獲多箇中子並衰變一次。

顯然，為了生產黃金，“s過程”必須在宇宙深處進行。如果“s過程”可能發生，則必須滿足以下條件：

首先，應該有一個沒有雜質的相對純淨的中子源。

其次，需要一個重元素原子核（比如鐵）作為“起始種子”來“捕獲”這些中子。

最後，這些物質需要在極其高溫的環境中熔化。最好是在大爆炸的環境中，因為黃金需要以高速從恆星中丟擲，才能長途旅行。

第一位鍊金術士：超新星

根據這些線索，科學家發現了隱藏在宇宙深處的第一位鍊金術士：超新星。

大質量恆星的核心不斷融合，形成較重的元素。起初，聚變產生的熱膨脹力足以抵抗巨大的重力。然而，當核聚變繼續到鐵的階段時，由於進一步核聚變的失敗，恆星的熱膨脹力喪失，因此恆星在重力的作用下坍縮，坍縮過程中產生巨大的能量，稱為超新星爆炸。

當超新星發生爆炸時，恆星其內部的核心被強大的重力擠壓，內部的質子和電子被迫熔合形成中子，從而將核心變成中子星。當然，中子星也可用作純中子源。噴出的恆星物質富含鐵和熱量，符合上述第二和第三個條件。

上世紀90年代，科學家們用電腦模型模擬了這一壯麗景象。當一顆大質量恆星的核心坍縮半秒時，它將繼續噴射中子超過一分鐘。同時，鐵心將不斷捕獲中子，產生令人垂涎的貴金屬，以及週期表底部的各種重金屬。

幾十年來，超新星爆炸併產生黃金的觀點最令人信服。然而，隨著計算機模型越來越精確，人們發現“鍊金術士”超新星的能力可能有限，因為中子星發射的中子似乎太少，只能建造一個小“拱頂”，這還不足以解釋宇宙中這麼多大的“拱頂”。

例如，美國和歐洲共同體1985年發射的一顆衛星曾經探測到一顆含金量非常高的恆星。這顆星位於巨蟹座，雙子座以東，獅子座以西。它距離我們居住的地球16。9億光年，是太陽的9倍大。科學家推測，其表面有超過10000億噸的黃金，是地球上黃金含量的100多萬倍。超新星爆炸顯然不足以產生如此大量的黃金。

這樣，科學家就必須回到起點。但他們堅信中子星是黃金生產中最重要的部分。因為在宇宙中，只有中子星才有這麼多中子。問題是中子星有很強的引力場。我們怎樣才能使中子星發射出大量的中子？

更偉大的“鍊金術士”

1974年，射電天文學家首次發現了第一個雙中子星系統。它們相互旋轉，如果一旦失去能量，這就意味著它們總有一天會相撞。

試想，在兩顆中子星最終合併成一顆更大的中子星或黑洞之前，在最後幾次旋轉中，它們會不會受到彼此巨大潮汐力的影響而噴出大量物質？那是宇宙中最大的黃金來源。

哥倫比亞大學的理論天體物理學家用計算機模擬再現了鍊金的輝煌景象。在核聚變之前，每顆中子星後面都有一條長尾，它將被加熱到數十億攝氏度。重核可以在大約一秒鐘內形成。在這些中子星碎片中有如此多的中子，每一個都是一個非常大的核（這個核中沒有質子，只有中子）。實際上，我們可以把整個中子星看作一個非常大的原子核。但是這些中子星碎片是不穩定的。它們會不斷“腐爛”。衰變後，它們很容易形成金和鉑等重元素。

中子星聚變和超新星爆炸都能產生黃金。但這兩位鍊金術士的能力大不相同。超新星爆炸能產生相當於月球大小的黃金，而中子星聚變則能產生類似木星大小的黃金，比前者多出數萬倍！兩顆中子星的聚變是宇宙中最大的“鍊金術士”！

哈佛-史密森天體物理中心的天文學家觀測到了由兩顆中子星碰撞引起的短時伽馬射線爆發。在持續數日的爆炸聲中，科學家們發現了包括黃金在內的大量重元素。它的含金量大約是月球質量的100倍！

有很多爭議

中子星聚變是宇宙中最偉大的“鍊金術士”？

其實沒那麼簡單。有些科學家認為這樣的天文事件非常罕見。與超新星爆炸不同，兩顆中子星的聚變需要兩顆中子星的偶然碰撞，這種機率每一億年才發生一次。用這樣一個小機率事件來解釋宇宙中黃金的主要來源似乎是不可靠的。

支援超新星爆炸理論的科學家認為，如果超新星在強磁場的驅動下爆炸，中子的噴發可能會越來越快，使鐵核更容易俘獲中子，產生的黃金量可能會更大。另外，超新星爆炸非常頻繁，也許超新星是宇宙黃金的主要締造者。

現在科學家們正嘗試找到證據來證明他們的觀點。例如，超新星爆炸後，它們的核心可以凝結成星際塵埃粒子，然後墜落到地球上，在深海中沉澱。看看星際塵埃中金的比例和深海塵埃中金的比例是否一致。這表明地球上所有的金元素都來自超新星爆炸。如果不是，地球上可能還有其他的黃金來源。在中子星聚變之前，它會對時空產生巨大的影響併產生引力波。科學家可以“聽”引力波獲取中子星的聚變資訊，也可以透過捕捉短伽馬射線爆發來跟蹤中子星的聚變時間。這樣，我們就可以知道中子星聚變產生的金的數量。

不管最終的結果是什麼，也許科學家們會找到另一位鍊金術士，但現在我們可以找到一個更浪漫的原因，為什麼黃金如此吸引人，那就是我們戴著來自深空的星塵碎片。