如今價格飛漲的黃金，都是從什麼地方來的？

黃金究竟是如何產生的？當今科學理論認爲，地球上的金元素來自星際物質聚集，而它和其他超鐵元素都來自天體的核反應，特別是中子俘獲過程。最近，天文學家發現一個新的快速中子俘獲過程的地方——這裡便是一個新的黃金產房。

撰文 | 金仕綸(中國科學院近代物理研究所核物理中心研究員)

追尋物質的來源可能發生在生活中的每一個層面。爸爸可能會好奇女兒的新項鍊是誰送的。女孩自然知道這是男朋友從金店爲其購買。金店的店員知道項鍊是由廠家發貨，而廠家使用的金條原料來自某某黃金集團。黃金集團的工程師明白如何找尋地下的金礦並開採出金子。接下來，地下的黃金又是怎麼來的？

我們知道，地球的每時每刻都發生着各式各樣的反應。那麼在地下，是否有一些“反應”爲我們製造黃金呢？答案是——絕不可能。爲什麼？簡單地說，是因爲地球不夠“燥”。地面溫度到了40度，大夥兒就受不了。可合成黃金卻需要大約40億度，這樣的超高溫度在地球天然環境中的任何一個角落都絕不存在。

已有充分的科學證據表明，地球上的所有的元素均來自飄零的星際物質的聚集，其中就包括金元素。因此，人類能享受黃金所賦予的尊貴與財富，應該感謝來自宇宙中某一處特別產房的饋贈。

這個產房在哪裡？裡面又到底發生了什麼？這些問題吸引着科學家們去探索回答。而這也是核天體物理學這門學科的使命——追問物質在原子核層次的起源。

屬性決定了宇觀世界的宏大表徵

今天的知識讓我們知道，宇宙大爆炸產生了氫、氦及少量的鋰。隨後，恆星的形成觸發了熔合反應，更重的元素開始生成。如一顆有25倍太陽質量的恆星，其內部就像一顆洋蔥，最外層氫燃燒成氦，次外層氦可燃燒成碳，接下來還有碳燃燒、氧燃燒、氖燃燒、硅燃燒。然而，當硅燃燒的產物——鐵居於恆星中央時，它則無法繼續燃燒生成更重的元素。這是因爲庫倫排斥難以被克服，且由於合成更重元素的核反應都是吸熱反應，而恆星內部並不具備這樣的熱源。因此，比鐵（26號元素）更重的元素，包括人見人愛的黃金，就需要新的產房以獲得生命。

圖：恆星核合成的洋蔥模型示意圖丨圖源：clipartkey

自1957年核天體物理這門學科誕生以來，比鐵更重的元素起源一直是其前沿熱點。時至今日，通過大量的天文觀測、合成演化計算及核物理量的測量，核天體物理學基本建立了理解超鐵元素核合成的框架，其本質是由一系列核反應生成更重的原子核。

這裡可以簡單理解爲，一個質量數在60左右的鐵原子核不斷拾取其他核子讓自己豹變，成爲新的原子核。這裡的“拾取”其實就是各式各樣的原子核反應。

核反應是在非常微觀的尺度內發生着，其距離和時間都遠遠小於納米與納秒。有趣的是，這些反應卻決定了宇宙中元素的含量，進而決定了我們能看到的最終的生命形態、物質形態。正是這種微觀的內在屬性決定了宇觀的宏大表徵。

里程碑事件——雙中子星合併的發現

儘管原子核反應類型不少，但最爲重要的要屬中子俘獲過程。這是因爲，中子不帶電沒有庫倫排斥，反應相對容易發生。其中，又以快中子俘獲過程(rapid neutron capture process，簡稱爲“r-過程”)爲當今研究的前沿熱點。

然而由於觀測及測量困難，r-過程中還有很多謎團尚未完全解答。這裡主要集中在兩個方向：r-過程發生在哪？是怎麼發生的？

2017年8月17日，引力波探測器LIGO測到了一個雙中子星合併的引力波信號。隨後，世界不同機構的觀測裝置都發現了這一事件所產生的大量電磁信號。通過分析這些信號，科學家們得出了一個重要結論：超鐵元素產生了，比如38號元素鍶、鑭系元素。甚至在74天后，依舊有一批壽命較長的不穩定核素被觀測到。因而，這一事件標誌着人類第一次敲定了r-過程發生的地點。

圖：雙中子星合併藝術圖丨圖源：Robin Dienel/Carnegie Institution for Science

雙中子星合併的發現，在多個層面都堪稱是核天體物理學發展的里程碑事件，譬如它開啓了多信使測量的時代，敲定了r-過程的發生地，引領並重塑了此後本領域研究趨勢。

然而，雙中子星合併是唯一的r-過程發生地點嗎？一系列研究顯示，恐怕不是。比如，在統計了大量貧金屬星中的稀土元素後，研究發現雙中子星合併能產生的稀土元素遠小於觀測值。這意味着如果雙中子星合併是宇宙中唯一的r-過程地點，那麼含量如此豐富的稀土元素就找不到合適的來源。這裡需要指出，目前稀土元素被認爲只能在r-過程中產生，因此其是發生r-過程最直接的證據。

發現新的產房

因此，探索r-過程的發生地點，只是剛剛開始。還需要尋找新的地點才能更深入地解釋元素起源。

事實上，早在雙中子星合併被觀測到之前，有多個理論模型預言了r-過程的發生地。長期以來，核塌縮超新星爆發被認爲是r-過程的發生地，然而近年的研究指出，核塌縮超新星爆發即使可以發生r-過程，也是弱r-過程（中子俘獲不再主導），質量較重的元素並不能夠在此產生。當前，受到更多矚目的理論場景是磁轉動超新星爆發和坍塌星。

在本文中，我們將介紹一個新的r-過程地點——共有包層噴射流超新星爆發（Commom Envelop Jet Supernovae，CEJSNe）。最近，一項發表在《天體物理學報》（The Astrophysical Journal）的研究首次給出了在CEJSNe中發生r-過程核合成的詳細機制，並展現了一些相當有趣的特徵。

一個雙星系統在其生命的末期可以發生這樣的情形：質量較大的恆星通過超新星爆發成爲一顆中子星，而質量較小的恆星成爲一顆紅超巨星。紅超巨星的半徑非常之大，乃至於吞噬了中子星。這時候由於引力的作用，紅超巨星的核芯將會被中子星吸積，並在中子星表面形成一個盤旋的吸積盤。

隨着兩者距離越來越近，越來越多的物質被快速吸積到中子星，導致劇烈的噴射流自吸積盤的兩極噴射出去。而這滾燙濃密的噴射流則滿足發生r-過程的條件：數十億度的高溫，每立方厘米數噸的物質密度，豐富的中子。

圖：共有包層噴射流超新星爆發的藝術圖丨圖源：近代物理所

研究發現，共有包層噴射流超新星爆發是目前最強的超鑭元素合成地點，能夠產生較多的“第三峰元素”，包含銥、鋨、鉑、金等。也就是說，如果它在宇宙中多發生幾次，就會有更多的黃金產生。

圖：彩色線條代表共有包層噴射流超新星爆發中r-過程最終產生的元素丰度，紅點代表太陽系中的觀測值。共有包層噴射流超新星爆發有一個很強的第三峰，其強度要比太陽系丰度大約高出10倍。丨圖：金仕綸

除了第三峰元素，共有包層噴射流超新星爆發對更重的錒系元素也青睞有加。它可以產生相當豐富的釷，同時能很好地解釋過去的一個謎題。在2018年，人們通過天文觀測發現一顆很特殊的星，它有着極爲豐富的釷含量。釷-232有着長達140億年的半衰期，與宇宙的年齡相當，因此可被用來計算恆星的年齡。但是，當使用其它r-過程模型時，得到的恆星年齡要麼爲負值，要麼遠超宇宙年齡，明顯不合理。而使用CEJSNe模型後，則能得出合理的數值。

結合天文學家對恆星的觀測，還能對CEJSNe模型做進一步的檢驗。

曾經人們認爲所有的恆星都有着相同的元素丰度，後來科學家發現有一種恆星的鐵元素與氫元素比值小於太陽的比值，並將其取名爲“貧金屬星（metal poor star）”。在這種恆星中，有一類叫做“r-過程增強貧金屬星（r-process-enhanced metal poor star）”，因其擁有豐富的中子俘獲元素，被認爲是宇宙中寶貴的r-過程檢驗器，對理解重元素的起源有着極爲重要的作用。

在提取了被標定爲r-過程增強星的天文觀測量及相關理論模型值後，研究發現CEJSNe模型與其它理論模型呈現出很好的反關聯關係。這表明，豐富的稀土元素和超鑭元素不能同時出現在同一次r-過程核合成中。如果沒有CEJSNe，r-過程增強星的觀測值將很難被理論模型解釋。

圖：研究首次提出了一個二維數量，既log(Ir/Eu) VS log(Xla)，log(Ir/Eu) 代表第三峰元素的相對強度，而log(Xla)是稀土元素的含量。圖中，CEJSNe、磁轉動超新星爆發和坍塌星構成了一個線性關係，表明在同一次r-過程中不能同時產生豐富的稀土元素和第三峰元素。丨圖：金仕綸

展 望

未來，有關新的重元素產房的研究可能會不斷帶給我們驚喜。

自然界中穩定的原子核約三百個。隨着核物理學的發展，百年來科學家們在實驗室內合成了三千多個不穩定的原子核。但受限於加速器的能力，r-過程路徑相關的原子核此前無法在實驗室被製造出來，因此科學家也無法測量其性質。人們在研究演化過程時，使用的基本都是理論值，這使得深入瞭解r-過程如何發生成爲難題。

圖：強流重離子加速器俯瞰圖丨圖：曾琪超

近年來，隨着美國稀有同位素束流裝置實驗室（FRIB）、日本理化學研究所（RIKEN）的裝置投入運行，相關物理量的測量已經逐步開始。在我國廣東省惠州市，由中國科學院近代物理研究所主持建設的強流重離子加速器（HIAF）預計於2025~2026 年完成調試並開始運行。未來，在這座位於海邊的巨大加速器裡，關於重元素產房裡的細節有望被逐一揭示。

本文經授權轉載自微信公衆號“中國科學院近代物理研究所”，原標題《一個新的黃金產房》，編輯：劉芳；審覈：周小紅。論文鏈接：

https://doi.org/10.3847/1538-4357/ad5f8e

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