黄金哪来的，比超新星爆发更罕见的中子星碰撞

众所周知，钻石这种东西在宇宙中并不算是稀有，黄金这样的重金属才是真正的不可多得。通常来说越重的元素形成条件越是苛刻，对于铁以上的元素来说，仅靠恒星内部的核聚变已经不够了，此时需要更加极端的条件，比如超新星爆发。但实际上我们平时接触到的这些黄金，它们的来源于可能是一种宇宙中更加罕见的事件 —— 中子星碰撞。

早在大爆炸之初，当时的宇宙中几乎只有氢和氦。随着恒星的出现，更重的元素开始通过恒星内部的聚变反应产生出来。只要恒星足够大，这个“元素工厂”就可以生产出铁以下的几乎所有元素，不过再往上就很难了，因为之后的聚变反应就不是释放能量，而要吸收能量了。

所以要想继续生产出更重的元素，那就得改进“生产工艺”。先前的聚变反应是把两个较轻的原子核撮合到一块儿变成更重的原子核，改进后的工艺则是直接往原子核中塞入中子，这被称为“中子俘获”。

可是仅就多了个中子的话，质子和原子序数并没有变化呀，充其量也只是产生了更重的同位素而已。不过对于某些同位素来说它们并不稳定，通常会存在着 β 衰变。比如铁-59 中的中子有一定概率通过释放一个电子从而衰变成质子。如此一来，原子核因为多了一个质子，原子序数就要 +1，于是原来的铁-59 就变成了钴-59。同理，钴元素也可以继续通过这种方式由钴-60 变成原子序数更大的镍-60，以此类推。

虽然原则上通过这种改进后的“生产工艺”恒星能够继续产生比铁更重的元素，但是这种发生在恒星内部的中子俘获非常微弱，生产效率极低，所以它也被称为“慢中子俘获”（因为这些中子的动能小）。

慢中子俘获就像是一种刚被研发出来的实验室技术，它虽然给恒星这个元素工厂指明了“技术方向”，但是它本身并不能用于“大规模量产”。

然而已经耄耋之年的恒星已经没有那么多时间了，于是这次它决定破釜沉舟，拼劲最后一丝力气，终于它找到了传说中的“快中子俘获”方式 —— 超新星爆发。

在这场足以照亮星系的“烟火秀”中，大量的中子以极其高能的形式被释放出来。在这些高能中子的撞击和 β 衰变的作用下，先前的原子核这下犹如进了个刷经验的副本，开始疯狂升级，于是大量的重金属元素被制造了出来。

虽然超新星爆发会产生大量的重金属元素，但由于它们大部分都集中在恒星的核心部位，实际上能够为我们所用的其实并不多。就像为了确保稀缺性，我生产出来了，但是就是不卖。

难道重金属这个行业就这样被超新星给垄断了吗？当然没有。

在那些已经成为残骸的恒星中，有个别“良心发现”的中子星决定打破垄断。只是此时的它已经耗尽了最后一丝力气，无法再凭一己之力实现愿望。但好在它不是一个人，它的身边还有一个志同道合的兄弟。

2017 年，引力波天文台 LIGO 和 Virgo 同时观测到了一个名为 GW 170817 的事件。和先前观测到的双黑洞合并信号不同的是，这次在引力波信号收到后不久，天文学家还收到了与之对应的电磁波信号，比如短暂的伽玛射线暴。

经过分析后科学家发现，这是一次罕见的双中子星合并事件。通过对电磁波段的谱线分析，科学家看到了这个过程中的元素产生情况：除了一般的金属元素外，这次事件还产生了大量的重金属元素，比如光是产生的黄金就达到了数倍地球质量。据说当年因为这一新闻全球金价甚至一度大跌。

中子星碰撞是一种比超新星爆发更为罕见的事件。它总能量释放非常高，不过大部分集中在可见光波段以外，所以亮度不及超新星。不过相较于普通的新星来说，中子星碰撞还是要亮上上千倍，所以该现象也被称为“千新星”或“巨新星”。

为什么说千新星比超新星更加罕见呢？你想啊，中子星本就是超新星爆发的产物，加上它还必须是在一个双星系统里，而且那颗伴星最后也要是一颗中子星或者黑洞。即使这样还不够，因为当一颗典型的超新星爆发时，它释放的能量很可能会将其伴星炸飞，这样一来它俩再碰撞就很难了。除非有一种情况，就是它俩是稀有的“超剥离超新星（Ultra-stripped supernovae）”。

所谓超剥离超新星是一种在爆发前已经失去了大量质量的恒星，当它再发生超新星爆发时力量就会小得多，这样才不至于把它的兄弟给踢飞。

整个过程大概是这样：

在一个有着两个大质量恒星的双星系统中，较大质量的那颗率先走到了生命的尽头。此时它的外层极具膨胀，大量物质被伴星吸走，最终被剥离成一颗只剩下少量氦包层的核心。随后这颗被剥的只剩核心的恒星进行了超新星爆发，但因为缺少物质，这次爆炸产生的冲击力非常有限。

不过伴星虽没有被炸飞，但日子也不好过。毕竟“出来混总要还的”，在那颗新形成的中子星强大的引力作用下，之前从对方身上吸过来的物质现在又被对方吸了回去。随着外层物质的大量流失，这颗伴星逐渐也被剥离得只剩下了核心，接着便是另一场的超新星爆发。

经过两次爆炸的洗礼，现在只剩下两颗干瘪的中子星在相互环绕。随着双方越靠越近，轨道能量开始以引力波形式释放。在最后的碰撞发生前，两颗中子星的环绕速度可以达到每秒上百次。最终碰撞发生，一颗千新星诞生了。

当两颗中子星相互接触时，理论上它们会先融合成一颗超大质量的中子星，然后在几毫秒的时间内迅速坍缩成黑洞。这个过程中会伴随极高的能量释放，此时之前的快中子俘获再次发挥作用。不过这次的反应不再局限于核心，因此大量的重金属元素得以输送到周围浩瀚的星际空间。

于是宇宙中重金属的垄断被打破，之后新形成的恒星终于不再像初代恒星那样“营养不良”，这次它们有了较为丰富的金属元素，虽然含量仍然不高，但“快中子俘获”这项本领已经作为“传统手艺”被新恒星继承了下来。

经过一代代薪火相传，46 亿年前，在银河系猎户座旋臂的一颗黄矮星旁，一个具有金属内核的岩质行星诞生了，它的名字叫 —— 地球。

本文来自微信公众号：Linvo 说宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo

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