地球上的黄金是怎么来的？

原文标题：《地球上的黄金是怎么来的？弄懂原理一起“挖金”去！》

LIGO（激光干涉引力波天文台，是借助于激光干涉仪来聆听来自宇宙深处引力波的大型研究仪器。）在 2015 年探测到了历史上的首个引力波源 GW150914。

此后，引力波的发现如雨后春笋。截至 2018 年底，LIGO 已经发现了 11 个引力波源。

上图展示了这 11 个引力波源的基本情况。

图中的蓝色和紫色的圆点代表一个个黑洞，而黄色和橙色的圆点代表一个个中子星。纵轴的数字，则标记了这些天体的质量是太阳的多少倍。图中的箭头，代表着两个较小天体并合成一个较大天体，并释放引力波的事件。其中有 10 个引力波事件，都是两个黑洞发生并合；只有 1 个引力波事件，是两个中子星发生并合，当然，这也是人类历史上观测到的首个双子星并合事件。

我们要科普的，就是这个双中子星并合事件。因为它回答了一个绝大多数地球人都会感兴趣的问题：黄金是怎么来的？

黄金是由原子序号为 79（即原子核里有 79 个质子）的金元素所构成的金属单质。它拥有美丽的金黄色泽，并且几乎不会与其他的任何元素发生化学反应。由于含量稀少，加上化学性质稳定，黄金在历史上常被当作法定货币，并被视为财富的象征。

不过，这些黄金到底是怎么来的呢？这个问题困扰了人类数千年之久。

人们提出过很多稀奇古怪的猜想：有人说它是汇聚的阳光，有人说它是硬化的水，还有人说它是由廉价金属转化而成的。当然现在我们已经知道，这些猜想通通都不靠谱。地球本身不可能制造黄金，所有的黄金都来自天上。

一直到 20 世纪下半叶，才有两个天文学家找到了破解这个世纪难题的关键线索。他们就是我们前面见过的霍伊尔和福勒。

在介绍霍伊尔和福勒的理论之前，让我们先来简要回顾下一些关于恒星演化的基础知识。

恒星诞生的标志是其中心区域点燃了氢核聚变。在主序星阶段，恒星中心的核聚变会有两种情况：对于像太阳这样的小质量恒星而言，核聚变反应的尽头是产生氧元素；对于超过太阳质量 10 倍的大质量恒星而言，核聚变反应的尽头是产生铁元素。

为什么大质量恒星核聚变反应的尽头是铁元素呢？下图就可以解释其中的道理。此图的横轴是某种原子核中包含的核子（核子包含质子和中子）的数目，纵轴则是这种原子核的平均结合能。所谓的平均结合能，就是把原子核中的每个核子结合在一起所需要的平均能量。正如图中展示的，在所有的化学元素中，铁的平均结合能是最大的。

铁拥有最大的平均结合能就导致了一个后果：铁是所有元素中最稳定的。也就是说，所有比铁轻的化学元素聚变成铁，都会释放能量；所有比铁重的化学元素裂变成铁，也都会释放能量。换言之，铁无论是聚变还是裂变成其他元素，都要吸收能量。

这样一来，恒星中心的核聚变就必须在产生铁元素以后中止了。因为把铁元素聚变成更重的元素，不但无法释放能量，反而还要吸收能量。这种赔本的买卖，恒星自然就不会干了。

这就导致了一个后果：比铁元素更重的金元素，不可能通过恒星中心聚变的方式来制造。

连恒星中心聚变都制造不了黄金，那么黄金到底是怎么来的呢？霍伊尔和福勒的答案是，源于超新星爆发。

关于超新星爆发。其中一种情况就是所谓的“大质量恒星坍缩”：在大质量恒星死后的塌缩过程中，强大的引力把电子压进了原子核的内部，从而与质子结合形成中子；这个恒星“中子化”的过程，会制造一场中微子大爆炸，把恒星外层物质全部炸飞，从而形成超新星爆发。霍伊尔和福勒发现，这并不是超新星爆发的全部故事。

恒星“中子化”以后，恒星内部就变成了中子的“汪洋大海”。因为中子不带电，所以很容易掉进恒星中心的铁原子核。换句话说，铁原子核可以通过不断俘获中子的办法，增加原子核中的核子数目；而与此同时，一部分被俘获的中子又会在原子核内部发生衰变，然后再度变回质子。这意味着，铁原子核内的质子数和中子数都会增加，从而变成一种更重的元素。

靠这种“俘获中子”的方法，铁元素就可以突破无法聚变成更重元素的瓶颈，从而产生包括金和银在内的所有重金属元素。“中子俘获”过程所产生的黄金，会随着不断膨胀的超新星遗迹向外扩散，并融入星际介质。星际介质又可以形成新的恒星和行星（比如我们的太阳系及其八大行星）。在这一过程中，星际介质中的黄金就被带到了地球。

很长一段时间，人们都认为超新星爆发是产生黄金的唯一途径。但在 20 世纪 90 年代，通过计算机模拟，天文学家们发现了一个相当严重的问题：超新星爆发其实是一件很困难的事情。

前面已经提到，超新星爆发是恒星“中子化”过程产生的中微子爆炸把恒星外层物质炸开的结果。但天文学家研究发现，绝大多数的情况下，中微子爆炸不足以把恒星外层物质炸开。这样一来，就不会再有超新星爆发的现象；大质量恒星就会直接塌缩成一个黑洞，然后悄无声息地从夜空中消失。这就是“失败的超新星”。而“失败的超新星”，就无法产生黄金了。

由于“失败的超新星”的存在，超新星爆发就不足以产生宇宙中所有的黄金了。根据天文学家的估算，超新星爆发产生的黄金只占宇宙中黄金总量的 10%。那么剩下的 90% 的黄金，又是怎么来的呢？

其实早在 20 世纪 70 年代，美国天文学家拉蒂默和施拉姆就找到了这个问题的关键线索，也就是两个中子星的并合。两个中子星发生碰撞然后合并在一起的过程中，将会向外甩出一部分中子星的物质。这些被甩出的中子星物质能在高温下发出大量的电磁波，从而让自身的亮度大增。尽管远远逊于超新星，但它的亮度依然能达到普通新星的 1000 倍（大概相当于太阳亮度的几千万倍）。因此，人们就把它称为“千新星”。

拉蒂默和施拉姆发现，在双中子星并合的过程中，同样可以发生“中子俘获”现象。被甩出去的那部分中子星物质里含有很多铁元素。这样一来，铁原子核就可以不断地捕获中子，从而制造出包括金在内的所有重元素。而与超新星爆发不同的是，双中子星并合的时候没有任何外层物质的阻拦，根本没有失败的可能。

因此，双中子星并合就能产生比超新星爆发更多的黄金。

几十年来，人类一直没有观测到双中子星并合产生的千新星，因而无法验证这个理论是否正确。这种状况，在 2017 年 8 月 17 日发生了彻底的改变。

2017 年 8 月 17 日，天文学界出现了一场狂欢。在那天的 12 点 41 分（协调世界时），费米太空望远镜向地面发送了一条简讯，说它刚刚探测到了一个来自宇宙深处的伽马射线暴。

短短 6 分钟之后，LIGO 也传来消息，说它在刚刚提到的伽马射线暴差不多的时刻，也探测到了一次引力波爆发事件。不仅如此，LIGO 还确定了这个引力波源所处的大致范围，并在 13 点 21 分把这个消息发送给了世界各地的望远镜控制中心。全世界的望远镜都在同一时间指向了同一方向，并真的在与地球相距 1.3 亿光年的 NGC 4993 星系中，发现了一颗双中子星并合所产生的千新星。

全世界的天文学家都沸腾了。这是人类历史上首次观测到一个天体同时发出电磁波和引力波。这个发现开启了多信使天文学的新时代。

当然，这个发现也验证了双中子星并合会产生黄金的理论。根据天文学家的估算，这次的双中子星并合事件大概能产 1.8×10 的 24 次方 吨的黄金，大概相当于 300 个地球的总质量。

不知道这么多的黄金，最终会落入谁的口袋。

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本文来自微信公众号：原点阅读 （ID：tupydread），作者：王爽，编辑：张润昕

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