恒星聚變一般只能到鐵元素，那么更重的元素比如金是如何形成的？

“不要為了得到這個(gè)世界而失去你的靈魂；智慧勝過(guò)金銀。”——鮑勃·馬利

縱觀有記載的人類(lèi)歷史，黃金令無(wú)數(shù)英雄和探險(xiǎn)家盡折腰，黃金也一直被人們視為財(cái)富和美麗的終極象征，包括現(xiàn)代社會(huì)黃金也是國(guó)際上的硬通貨，是一個(gè)國(guó)家對(duì)抗經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)的財(cái)富儲(chǔ)備。大家都知道黃金以其穩(wěn)定性和稀有性所著稱(chēng)，但是我們回想下貌似從來(lái)也沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)大爆炸和普通恒星聚變產(chǎn)生了金元素，那么問(wèn)題來(lái)了：宇宙中的黃金是怎么誕生的？

我們先來(lái)看看元素周期表，黃金在元素周期表上的位置稍微靠上一點(diǎn)，位于元素79號(hào)，這使得金元素成為宇宙中最重的、穩(wěn)定的、自然存在的元素之一。其實(shí)還有三種較重的元素汞、鉈和鉛也很穩(wěn)定。

宇宙中的元素始祖——?dú)洌窃诖蟊ㄆ陂g產(chǎn)生的，相對(duì)較輕的元素是在早期的恒星聚變中產(chǎn)生的，恒星死亡后并把自己一生鍛造的元素重新拋灑到宇宙中，但是相對(duì)較重的元素，如金的起源則更加神秘和復(fù)雜。

今天我們就瀏覽一下宇宙的元素歷史，討論一下包括黃金在內(nèi)的重元素最有可能來(lái)自哪里。

宇宙中氫、氦等輕元素來(lái)自大爆炸

在宇宙的早期，只有一片熾熱、稠密的等離子體海洋，物質(zhì)和輻射的能量極高，任何兩個(gè)可以相互作用的粒子都無(wú)法結(jié)合，就像我們常常聽(tīng)到的:那是一鍋熾熱的原始物質(zhì)濃湯。

即使是單個(gè)質(zhì)子和中子，它們之間有很強(qiáng)的電磁相互作用，但是在它們彼此相遇的那一刻，也會(huì)遇到一個(gè)能量足夠大的光子會(huì)把它們"一腳"踢開(kāi)，這時(shí)的宇宙溫度不允許有任何較重原子核的存在。

然而，隨著時(shí)間的推移，隨著宇宙在快速膨脹下逐漸冷卻，這時(shí)的輻射能量已將無(wú)法阻止粒子之間的結(jié)合了。這意味著形成的較重原子核在往后的時(shí)間內(nèi)可以穩(wěn)定地存在很長(zhǎng)時(shí)間。宇宙中最輕的元素氫、氦及其各種同位素(還有少量鋰)，在大爆炸之后就是這樣形成的。這些元素也是宇宙一開(kāi)始賜予我們的“啟動(dòng)物質(zhì)”，是萬(wàn)物的來(lái)源。

恒星加工廠的產(chǎn)品——較重元素，并形成少量的重元素，但是豐度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠

又隨著時(shí)間的推移，萬(wàn)有引力發(fā)揮了它的“魔力”，將已經(jīng)冷卻的物質(zhì)壓縮成密集的分子云，最終形成宇宙中的第一批恒星。這些恒星主要由氫和少量氦組成，被稱(chēng)為III族恒星:恒星中幾乎沒(méi)有比氦更重的元素。

隨后恒星開(kāi)始充當(dāng)了宇宙元素加工廠，不僅在它們的核心將氫聚變成氦，而且最重的恒星將氦燃燒成碳，然后繼續(xù)合成碳、氧、硅和硫等元素，直到它們核心變成鐵、鎳和鈷！最終，當(dāng)恒星的核心耗盡可燃燃料時(shí)，恒星開(kāi)始塌縮，形成Ⅱ型超新星爆發(fā)！又稱(chēng)為核坍縮型超新星爆發(fā)！

需要注意的是：這里說(shuō)的都是大質(zhì)量恒星，最少也是8個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，才會(huì)聚變到鐵核。當(dāng)鐵核的質(zhì)量大于1.44倍太陽(yáng)質(zhì)量（錢(qián)德拉塞卡極限，但不一定都要等于這個(gè)值），鐵核會(huì)繼續(xù)向內(nèi)坍縮。

超新星爆發(fā)后最內(nèi)層的核心會(huì)坍塌成中子星或黑洞，但最外層會(huì)被重新拋回到宇宙。這些富含氫、氦、碳、氧和其他一些相對(duì)較輕的元素被送回星際介質(zhì)中，它們又會(huì)成為未來(lái)幾代恒星的一部分。

上圖：斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡(紅色)，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡(橙色)，錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)(藍(lán)色和綠色)

同樣，在超新星爆發(fā)的過(guò)程中核心中子星也會(huì)噴射出大量的中子，使比鐵重得多的元素迅速形成，一路沿著周期表到達(dá)地球上所有已經(jīng)衰變掉的重而不穩(wěn)定的元素。

我們只找到了一部分重元素

這就是重元素形成的全部過(guò)程嗎？不不不！在解釋宇宙時(shí)，僅僅創(chuàng)造出了重元素是不夠的；我們需要按照我們觀察到的元素存在比例（元素豐度）來(lái)尋找它們。當(dāng)涉及到相對(duì)較輕的元素，如碳、氧和硅時(shí)，它們的比例確實(shí)起源于這個(gè)過(guò)程。但重元素的比例還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠！

當(dāng)我們觀察II族恒星時(shí)，也就是宇宙中第二代恒星，我們發(fā)現(xiàn)，雖然第二代恒星富含輕元素，但與我們的太陽(yáng)相比，它們嚴(yán)重缺乏鐵元素(鐵元素就是26號(hào)元素)和更重的元素。

我們的太陽(yáng)被稱(chēng)為I族恒星，也就是第三代恒星，它和我們星系的其他恒星非常相似，太陽(yáng)的碳、氮、氧和硅的含量比II族恒星還要多，這表明，在我們的世界誕生之前，有更多的恒星曾在我們這里生活過(guò)，燃燒過(guò)，最終變成超新星，并將自身的物質(zhì)拋回到星際空間。氫元素的比例是沒(méi)問(wèn)題！

但是真正的重元素，從鐵、錫到金，甚至更多重元素的比例，比這些超大質(zhì)量恒星變成超新星所產(chǎn)生的重元素高得令人費(fèi)解。

宇宙元素豐度圖

這些重元素的形成一定另有原因。一定是別的什么東西在創(chuàng)造這些重元素，而且一定是以一種不同于輕元素的方式來(lái)創(chuàng)造重元素！因?yàn)榫圩兒统滦且呀?jīng)指望不上了！

直到最近幾十年間，我們才得到了重元素來(lái)源的理論支撐。

宇宙中充滿了早期形成的超大質(zhì)量恒星遺留下來(lái)的中子星；據(jù)估計(jì)，在現(xiàn)存的每個(gè)銀河系大小的星系中，有數(shù)十億顆中子星。大多數(shù)情況下，這些中子星是它們恒星系統(tǒng)中唯一的一顆中子星，但也有特殊情況，中子也會(huì)形成是雙星或三星系統(tǒng)。

中子星偶爾會(huì)發(fā)出無(wú)線電能量束，當(dāng)它們旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)向我們發(fā)出“脈沖”:這就是脈沖星。就在我們的銀河系中，我們發(fā)現(xiàn)了雙星系統(tǒng)的證據(jù)，其中兩顆恒星都是向我們發(fā)出脈沖的中子星稱(chēng)為雙脈沖星！

根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，我們知道像雙脈沖星的軌道會(huì)隨著時(shí)間的推移而衰減，如果有足夠的時(shí)間，脈沖星軌道最終會(huì)互相衰減并相撞。

那么你認(rèn)為當(dāng)兩顆中子星，也就是兩個(gè)質(zhì)量接近太陽(yáng)的物體，一個(gè)中等城市大小，完全由中子組成的物體，相互碰撞時(shí)會(huì)發(fā)生什么?

中子星死亡的場(chǎng)面十分震撼！它們可能會(huì)（也可能不會(huì)）留下一個(gè)黑洞，但肯定會(huì)發(fā)生的是，中子星在短短的時(shí)間內(nèi)被徹底摧毀，將價(jià)值數(shù)千地球質(zhì)量的重元素噴射到宇宙中！這是宇宙中大部分黃金、鉑、汞、鉛和鈾的來(lái)源地，包括地球上幾乎所有儲(chǔ)存的重元素也都來(lái)自中子星。

總結(jié)

當(dāng)你看到你手上、脖子上的黃金飾品時(shí)，你要感謝那些為了創(chuàng)造地球上的元素而生存和死亡的所有恒星，也要特別緬懷中子星，因?yàn)樗?jīng)歷了兩次死亡：一次在超新星中，一次在伽馬射線爆發(fā)中！

據(jù)估計(jì)，每一個(gè)類(lèi)似銀河系的星系中，中子星的碰撞事件每10000到100000年發(fā)生一次，這意味著在太陽(yáng)系形成之前，在我們的星系中大約有100到100萬(wàn)次中子星的合并，使星際物質(zhì)中富含重元素。我們還應(yīng)該想到的是，雷神之錘取自于中子星，而你手上的黃金同樣也來(lái)自中子星，這意味著什么呢?

這不僅是關(guān)于黃金的宇宙故事，而且當(dāng)今世界上所有重元素的宇宙故事！