银河系的黄金到底是哪儿来的?来自宇宙深空(组图)

Daphane

來源:网易科学人

在民间传说和历史中，有关地球上的黄金到底来自何处以及如何能够获得更多黄金的问题，已经产生许多荒诞无稽的解释。印加人认为，黄金是天上掉下来的，是太阳神的眼泪和汗水。亚里士多德（Aristotle）认为，黄金是硬化的水，是太阳射线穿透地下改造而成。艾萨克·牛顿（Isaac Newton）甚至曾抄下某个哲学家“点石成金”的配方，也有人认为黄金是德国民间传说中的侏儒怪（Rumpelstiltskin）用稻草变的。


现代天体物理学家则有他们自己的解释，即“后增薄层（late veneer）”假说。这种理论认为，大约40亿年前，地核形成并稳定后，陨石频繁撞击地球，使约占现在地球质量0.5%至1%的球粒陨石物质加入地幔中，造成地幔增生，进而形成现在地幔中铂族元素（包括黄金）。但有关“宇宙中黄金如何形成”这个更基本的问题，依然引发激烈争论。   
   
数十年来，最令人信服的说法是超新星爆炸产生了令人垂涎的贵金属，以及元素周期表底部多种重元素。但是随着超新星计算机模型的改进，研究人员发现，这些超新星爆炸事件就像历史上的炼金术师那样，只是将黄金提炼出来，依然没有解决黄金起源的问题。或许还有其他宇宙事件需要研究，它们或许才是黄金诞生的真正来源。   
   
过去几年间，一场相关辩论爆发了。许多天文学家认为，两颗中子星融合可能是宇宙中重元素（包括黄金）的诞生之源。其他人甚至认为，如果普通的超新星爆炸无法做到，更怪异的理论或许能够给出解释。为了解决这个争端，天体物理学家们正在到处寻找线索，从炼金术的计算机模拟到伽马射线望远镜探测深海锰壳等。争夺首先观察到“宇宙造币厂”黄金流水线的竞赛已经展开。   
   
1957年，物理学家玛格丽特·博比奇（Margaret Burbidge）、杰弗里·博比奇（Geoffrey Burbidge）、威廉·富勒（William Fowler）以及弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）提出一套理论，阐述恒星诞生和死亡促使化学元素周期表上所有元素产生的方式。这意味着，人类（至少构成我们身体的元素）曾是星尘，也包含黄金。美国麻省理工学院天文学家安娜·弗雷贝尔（Anna Frebel）说：“这个问题本身相当古老，现在更是需要破解星尘的秘密。”   

宇宙大爆炸留下了氢、氦以及锂等元素，恒星随后将它们逐渐融合成更重的元素。但是这个过程在铁形成后停止，因为铁已经是最稳定的元素。比铁更大的核带有正电，因此很难继续融合，而且融合也不再返还你更多能量。为了让重元素变得更可靠，你可以用没有电荷的中子轰击铁核。新的中子经常促使铁核不稳定。在这种情况下，中子会衰变为质子，弹出电子和反中微子，而净增加的质子会促使新的重元素诞生。   
   
当额外中子被以比衰变慢得多的速度投入原子核中时，这个过程被称为“慢中子俘获（slow neutron capture）”，又被称为S进程，它会产生锶、钡以及铅等轻元素。但是当中子比衰变更快的速度进入原子核中时，就是所谓的“快中子俘获（rapid neutron capture）”，也称为R进程。这个过程会加强原子核，从而形成重元素，包括铀和黄金。   
   
为了找到R进程元素，博比奇夫妇与他们的同事认为，你需要几件东西。首先，你必须拥有相对较纯、不含杂质的中子源。其次，你需要重“种子”核（比如铁），以便俘获那些中子。最后，你需要将它们在炙热、稠密的环境中融合。你希望这一切都在大爆炸过程中发生，并将爆炸的产物散落在太空中。   
   

对于许多天文学家来说，符合这些要求的目标只有特定的对象：超新星。当巨大恒星的核心融入更多重元素形成铁后，超新星就会爆发。随后融合会停止，恒星大气层就会崩溃。相当于太阳的质量塌陷成直径仅有12公里的球体。接着，当核心达到核物质的密度时，它就会变得更牢固。能量反弹向外，从数十亿光年之外就可看到的超新星爆炸会撕裂恒星。在恒星塌缩时，原子核中的质子和电子被迫融合起来，形成中子，并将核心变成新生的中子星。它含铁非常丰富，热量充足，发光的熔岩不断扩展向太空中，并喷发出不同的物质。   
   
到20世纪90年代，特定的图像已经开始出现在计算机模型中。超高质量的恒星核崩溃后半秒，会持续涌出中子流，持续时间高达1分钟。有些风会吹走铁核成为“种子”，并伴随着大量中子。德国马克西-普朗克天体物理研究所的托马斯·詹卡（Thomas Janka）说：“那就是希望。我想说的是，它们会在20年左右形成R进程元素。”美国加州大学圣克鲁兹分校天体物理学家恩里克·瑞兹（Enrico Ramirez-Ruiz）表示：“如果你打开教科书，它会告诉你R进程元素是超新星爆炸形成的。”   
   
但是随着超新星模型变得越来越复杂，情况却变得更糟，而非更好。在中微子驱动的风中，温度似乎还不够高。这种风的速度可能也太慢，让种子核形成的如此之大，以至于无法找到足够的中子建立重元素。中微子也可将中子转化为质子，这意味着可能没有许多中子参加这个进程。   
   
这使得理论学家们重新回到超新星模型的最强观点上，即超新星形成中子星，这似乎是必不可少的过程。斯德哥尔摩大学的史蒂芬·罗斯沃格（Stephan Rosswog）表示：“对于这种核的合成来说，简直棒极了！最初宇宙中任何地方可能都没有大量中子，但是中子星有很强的引力场，问题是你如何才能将中子星变成喷射源？”   
   
一种方法就是利用其诞生时同样的爆炸砸开中子星，但这种方法似乎没有效果。直到1974年，射电天文学家发现首个双中子星系统。它们互相围绕对方旋转，且在不断失去能量，它们终有一天会发生碰撞。同样是在这一年，天体物理学家詹姆斯·拉蒂默（James Lattimer）与大卫·施拉姆（David Schramm）制作出模型，假设这种情况发生时的场景。由于当时的计算过于复杂，他们没有研究两颗中子星碰撞的场面，而是模拟了中子星和黑洞融合。   
   
尽管超新星爆炸可以短暂地照亮整个星系，但中子星却很难看到。1054年，许多不同国家都观察到超新星爆炸产生的螃蟹星云。而直到1968年，中子星留下的痕迹才被观察到。两颗中子星融合可能依然很难被发现和理解。拉蒂默和施拉姆表示，尽管没人看到过那样的场景，但这种奇异事件或许是R进程元素产生的源头。   
   
在互相旋转的最后几圈，两颗中子星接近形成更大的中子星或黑洞，它们受到庞大引力潮的冲击，这种碰撞会产生大量材料。哥伦比亚大学理论天体物理学家布莱恩·梅茨格（Brian Metzger）说：“这有点儿像挤牙膏，牙膏从口端飞出来。”每颗中子星的后面都拖着长长的尾巴，每个质子可能有10个中子相随，它们会加热到数十亿摄氏度。重核大约在1秒内形成，因为它们有如此多额外的中子，因此不够稳定。它们会发光，最后衰变为黄金和铂金。至少，这个过程在模拟中可以再现。   
   
中子星融合和超新星爆炸都可以产生R进程元素。但是这两大天体事件会产生多少黄金存在很大差异。超新星爆炸可以产生相当于月球体积的黄金，而中子星融合则可产生类似木星体积的黄金，后者比前者多数千倍，但是并不常见。这让天文学家们将搜寻R进程元素作为追踪贵金属起源的方法之一。美国加州大学圣克鲁兹分校天体物理学家瑞兹说：“可以将R进程元素视为巧克力。宇宙中含量丰富、由占主导地位的超新星爆炸产生的R进程元素就像涂有薄薄一层巧克力的饼干，而中子星融合则像巧克力芯饼干，所有巧克力都是浓缩的。”   
   
评估R进程事件分布和频率的一种方法，就是寻找它们在地球上的副产物。超新星照亮银河系不久后，它们产生的核可以凝聚到星际尘埃颗粒上，穿过太阳和地球磁场落在地球上，并在深海中保存下来。《自然》杂志2016年刊文称，深海地壳中发现的放射性铁-60与过去1000万年地球附近的超新星爆炸有关。然而，这些超新星似乎与R进程元素并不相符。当研究人员研究深海地壳中的钚224（可随着时间推移而衰变的不稳定R进程产物）样本时，他们发现其数量很少。梅茨格说：“无论在哪里产生的这些重元素，在我们银河系都不常见。”   
   
并非所有人都认同这个结论。由慕尼黑理工大学肖恩·毕索普（Shawn Bishop）带领的团队，希望继续在地球上找到附近超新星爆炸后传来的放射性钚。目前，这个团队正在含有微化石的沉积物中寻找R进程元素存在的线索。微化石就是细菌遗骸，它们可从环境中提取金属并形成磁性晶体。   
   
天文学家们也在更远的宇宙中寻找“巧克力芯饼干”存在的证据。R进程元素铕有着强大的光谱线，允许天文学家在恒星大气层中找到它。在银河系光晕中发现的古老恒星中，观察R进程信号不太容易。瑞兹说：“我们可以找到两颗含有相似铁元素的恒星，但它们的铕含量却存在数量级的差异。有鉴于此，宇宙中更有可能看到巧克力芯而非巧克力涂层。”   
   
天文学家们已经发现更明确的例证。许多矮星星系在稳定前只会经历一次短暂爆发，这只给它们留下发生R进程事件更狭窄的窗口。直到2016年，没有任何矮星星系的恒星似乎富含R进程元素。然而麻省理工学院天文学家弗雷贝尔的学生亚力克斯（Alex Ji）却在名为Reticulum II的矮星星系中观察到这样的恒星。弗雷贝尔回忆称：“亚力克斯在凌晨2点给我打电话，称光谱仪有点儿问题，一颗恒星似乎出现更强的铕线。当时我戏称：‘亚力克斯，或许你发现了R进程星系。’”实际上，亚力克斯的确有了发现。Reticulum II有7颗恒星上富含R进程元素，它们可能都是在罕见的单一事件中产生的。   
   
对于中子星融合模型的支持者来说，所有这些都是有利的证据。中子星融合事件十分罕见，与恒星碰撞和超新星爆炸等单一事件不同，它们要求两颗中子星形成二元轨道，并在数亿年后融合。但是批评人士指出，这种情况过于罕见。在我们的银河中，中子星融合可能每隔1亿年才发生一次，当然也有人称其频率为1万年1次。洛斯阿拉莫斯国家实验室天体物理学家克里斯多弗·弗莱尔（Christopher Fryer）说：“这令我感到震惊，那些用中子星融合解释R进程的人，显然采用了最高频率。”   
   
当弗莱尔及其同事使用有关中子星融合更高频率的猜测，以及其能够产生多少R进程物质时，它们发现中子星融合只能解释宇宙中观察到的1%R进程元素诞生。如果真实率低于最低点，它们的贡献还要再减少100倍。弗莱尔说：“越来越多的人开始支持‘R进程元素还有其他源头’的猜测。”   
   
在这个过程中，超新星爆炸理论再次受到关注。如果超新星1%核塌陷不同于标准模拟预测，它们也可能在“巧克力芯”模式中产生相当多的R进程元素。英国基尔大学天体物理学家西村伸也（Nobuya Nishimura）认为，观察到超新星爆炸的一种方法是，如果恒星发生大爆炸，会喷射出磁动力射流而非中微子。这将创造富含中子物质的快速爆炸，允许种子核成长为至少某些R进程元素。弗莱尔说：“你无须举办茶话会，它可能只停留100毫秒。”   
   
许多天文学家认为，这个答案最终会成为某种妥协，这种转变可能已经发生。弗雷贝尔说：“R进程现在不再是真的R进程了。”或许，它可以被分为两部分，不够牢固的R进程元素可能来自超新星爆炸，而重元素则来自中子星碰撞。但依然有“黑马”潜伏着，即中子星融合和黑洞。双中子星依然可能像以前那样喷出物质，但这些事件发生的频率过于模糊。詹卡说：“或许它们才是产生R进程元素的主导力量，只是我们不知道。我们还需要更多数据。”   
   
这样的数据正在出现。中子星融合的最后几圈轨道或中子星与黑洞融合会对时空产生巨大影响，引力波会喷薄而出。激光干涉引力波天文台（LIGO）已经成功“听到”黑洞融合渐强的声音，我们正接近一个灵敏度，应该可以开始抓取遥远星系中子星融合的信息。时间越长，这些事件似乎发生的越少。当LIGO达到全设计灵敏度时，可能意味着中子星融合模型就会被淘汰。阿姆斯特丹大学天体物理学家塞尔玛·明克（Selma de Mink）说：“如果他们还没有发现任何东西，瑞兹和梅茨格等人的理论将再次成为焦点。”   
   
尽管如此，科学家们的梦想是超越R进程事件的猜测，看到真正的行动，2个团队都已经在这样做。2013年，Swift卫星发现短伽马射线爆发，这种事件也可归因于中子星碰撞。其他天文望远镜则在观察后果。在模拟中，名为kilonova的观察信号可跟踪中子星融合事件。放射性核通过R进程传播和发光，促使整个星系在最终暗淡下去1周前亮度大增。这些元素都不透明，只有红光可以穿出。2013年的事件符合两项预测，但迄今为止难以完全解释清楚。梅茨格说：“尽管它不引人注目，但充满了暗示。”   
   
许多发现这起事件的天文学家现在都已经加入相关团队，希望找到更近、更确切的kilonova信号。这意味着需要迅速捕捉LIGO发现的中子星融合信号，并利用传统望远镜迅速在空中找到信号源，或利用即将发射的詹姆斯-韦伯太空望远镜测量光谱。为此，我们可能看到新生的R进程元素云，或从它们缺席中推断出某些东西。伽马射线爆发已经对我们进行了良好训练，这绝对像一场比赛，就看你的反应到底有多快！