眾所周知，鉆石這種東西在宇宙中并不算是稀有，黃金這樣的重金屬才是真正的不可多得。通常來說越重的元素形成條件越是苛刻，對于鐵以上的元素來說，僅靠恒星內(nèi)部的核聚變已經(jīng)不夠了，此時需要更加極端的條件，比如超新星爆發(fā)。但實際上我們平時接觸到的這些黃金，它們的來源于可能是一種宇宙中更加罕見的事件 —— 中子星碰撞。
早在大爆炸之初，當時的宇宙中幾乎只有氫和氦。隨著恒星的出現(xiàn)，更重的元素開始通過恒星內(nèi)部的聚變反應產(chǎn)生出來。只要恒星足夠大，這個“元素工廠”就可以生產(chǎn)出鐵以下的幾乎所有元素，不過再往上就很難了，因為之后的聚變反應就不是釋放能量，而要吸收能量了。
所以要想繼續(xù)生產(chǎn)出更重的元素，那就得改進“生產(chǎn)工藝”。先前的聚變反應是把兩個較輕的原子核撮合到一塊兒變成更重的原子核，改進后的工藝則是直接往原子核中塞入中子，這被稱為“中子俘獲”。
可是僅就多了個中子的話，質(zhì)子和原子序數(shù)并沒有變化呀，充其量也只是產(chǎn)生了更重的同位素而已。不過對于某些同位素來說它們并不穩(wěn)定，通常會存在著 β 衰變。比如鐵-59 中的中子有一定概率通過釋放一個電子從而衰變成質(zhì)子。如此一來，原子核因為多了一個質(zhì)子，原子序數(shù)就要 +1，于是原來的鐵-59 就變成了鈷-59。同理，鈷元素也可以繼續(xù)通過這種方式由鈷-60 變成原子序數(shù)更大的鎳-60，以此類推。
雖然原則上通過這種改進后的“生產(chǎn)工藝”恒星能夠繼續(xù)產(chǎn)生比鐵更重的元素，但是這種發(fā)生在恒星內(nèi)部的中子俘獲非常微弱，生產(chǎn)效率極低，所以它也被稱為“慢中子俘獲”（因為這些中子的動能小）。
慢中子俘獲就像是一種剛被研發(fā)出來的實驗室技術(shù)，它雖然給恒星這個元素工廠指明了“技術(shù)方向”，但是它本身并不能用于“大規(guī)模量產(chǎn)”。
然而已經(jīng)耄耋之年的恒星已經(jīng)沒有那么多時間了，于是這次它決定破釜沉舟，拼勁最后一絲力氣，終于它找到了傳說中的“快中子俘獲”方式 —— 超新星爆發(fā)。
在這場足以照亮星系的“煙火秀”中，大量的中子以極其高能的形式被釋放出來。在這些高能中子的撞擊和 β 衰變的作用下，先前的原子核這下猶如進了個刷經(jīng)驗的副本，開始瘋狂升級，于是大量的重金屬元素被制造了出來。
雖然超新星爆發(fā)會產(chǎn)生大量的重金屬元素，但由于它們大部分都集中在恒星的核心部位，實際上能夠為我們所用的其實并不多。就像為了確保稀缺性，我生產(chǎn)出來了，但是就是不賣。
難道重金屬這個行業(yè)就這樣被超新星給壟斷了嗎？當然沒有。
在那些已經(jīng)成為殘骸的恒星中，有個別“良心發(fā)現(xiàn)”的中子星決定打破壟斷。只是此時的它已經(jīng)耗盡了最后一絲力氣，無法再憑一己之力實現(xiàn)愿望。但好在它不是一個人，它的身邊還有一個志同道合的兄弟。
2017 年，引力波天文臺 LIGO 和 Virgo 同時觀測到了一個名為 GW 170817 的事件。和先前觀測到的雙黑洞合并信號不同的是，這次在引力波信號收到后不久，天文學家還收到了與之對應的電磁波信號，比如短暫的伽瑪射線暴。
經(jīng)過分析后科學家發(fā)現(xiàn)，這是一次罕見的雙中子星合并事件。通過對電磁波段的譜線分析，科學家看到了這個過程中的元素產(chǎn)生情況：除了一般的金屬元素外，這次事件還產(chǎn)生了大量的重金屬元素，比如光是產(chǎn)生的黃金就達到了數(shù)倍地球質(zhì)量。據(jù)說當年因為這一新聞全球金價甚至一度大跌。
中子星碰撞是一種比超新星爆發(fā)更為罕見的事件。它總能量釋放非常高，不過大部分集中在可見光波段以外，所以亮度不及超新星。不過相較于普通的新星來說，中子星碰撞還是要亮上上千倍，所以該現(xiàn)象也被稱為“千新星”或“巨新星”。
為什么說千新星比超新星更加罕見呢？你想啊，中子星本就是超新星爆發(fā)的產(chǎn)物，加上它還必須是在一個雙星系統(tǒng)里，而且那顆伴星最后也要是一顆中子星或者黑洞。即使這樣還不夠，因為當一顆典型的超新星爆發(fā)時，它釋放的能量很可能會將其伴星炸飛，這樣一來它倆再碰撞就很難了。除非有一種情況，就是它倆是稀有的“超剝離超新星（Ultra-stripped supernovae）”。
所謂超剝離超新星是一種在爆發(fā)前已經(jīng)失去了大量質(zhì)量的恒星，當它再發(fā)生超新星爆發(fā)時力量就會小得多，這樣才不至于把它的兄弟給踢飛。
整個過程大概是這樣：
在一個有著兩個大質(zhì)量恒星的雙星系統(tǒng)中，較大質(zhì)量的那顆率先走到了生命的盡頭。此時它的外層極具膨脹，大量物質(zhì)被伴星吸走，最終被剝離成一顆只剩下少量氦包層的核心。隨后這顆被剝的只剩核心的恒星進行了超新星爆發(fā)，但因為缺少物質(zhì)，這次爆炸產(chǎn)生的沖擊力非常有限。
不過伴星雖沒有被炸飛，但日子也不好過。畢竟“出來混總要還的”，在那顆新形成的中子星強大的引力作用下，之前從對方身上吸過來的物質(zhì)現(xiàn)在又被對方吸了回去。隨著外層物質(zhì)的大量流失，這顆伴星逐漸也被剝離得只剩下了核心，接著便是另一場的超新星爆發(fā)。
經(jīng)過兩次爆炸的洗禮，現(xiàn)在只剩下兩顆干癟的中子星在相互環(huán)繞。隨著雙方越靠越近，軌道能量開始以引力波形式釋放。在最后的碰撞發(fā)生前，兩顆中子星的環(huán)繞速度可以達到每秒上百次。最終碰撞發(fā)生，一顆千新星誕生了。
當兩顆中子星相互接觸時，理論上它們會先融合成一顆超大質(zhì)量的中子星，然后在幾毫秒的時間內(nèi)迅速坍縮成黑洞。這個過程中會伴隨極高的能量釋放，此時之前的快中子俘獲再次發(fā)揮作用。不過這次的反應不再局限于核心，因此大量的重金屬元素得以輸送到周圍浩瀚的星際空間。
于是宇宙中重金屬的壟斷被打破，之后新形成的恒星終于不再像初代恒星那樣“營養(yǎng)不良”，這次它們有了較為豐富的金屬元素，雖然含量仍然不高，但“快中子俘獲”這項本領已經(jīng)作為“傳統(tǒng)手藝”被新恒星繼承了下來。
經(jīng)過一代代薪火相傳，46 億年前，在銀河系獵戶座旋臂的一顆黃矮星旁，一個具有金屬內(nèi)核的巖質(zhì)行星誕生了，它的名字叫 —— 地球。
本文來自微信公眾號：Linvo 說宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo
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