黃金的宇宙起源

2015年11月04日

Ethan Siegel

長久以來，早在人類搞清楚元素是什麼東西之前，黃金就一直是地球上最稀有的貴金屬之一。然而，我們現在知道，黃金是一種穩定的重元素，在地球上以原子形式自然存在。儘管幾千年過去了，但黃金仍然是非常寶貴的科學、物理和化學資產，而且憑藉閃閃發光的特性被用於各種奢侈品。

但是，黃金從何而來呢？儘管你可能知道是「從恆星而來」，但這種簡單的答案遠不能揭示故事的全貌。像太陽的那樣的恆星，它們的確能夠把較輕的元素聚合成較重的元素，但那通常只包括很少的一部分：氦、碳、氮、氧，然後是氖、鎂、硅、硫、鐵、鎳以及鈷。在我們發現的各種元素當中，只有非常小的一部分是由核聚變（至少是我們通常理解的那種核聚變）產生的。

這其中的原因很簡單：在不同溫度下，核聚變只會產生少數幾種類型的反應。

·氫燃燒可以聚合成氦，或者把碳轉化成氮和氧，然後再轉換回來，最終的產物是氦。我們的太陽就能夠做這些。

·生在紅巨星中（太陽將在大約50-70億年後演變為紅巨星）的氦燃燒發，它能夠把氦轉變為碳，然後聚合額外的氦產生氧、氖、鎂等元素，在元素周期表上依次增加「兩個」原子序數。

·更高的溫度可以引發碳燃燒，這種現象只出現在質量比太陽大很多倍的恆星當中。碳燃燒之後出現的是氧燃燒和硅燃燒，最終的「灰燼」就是鐵、鎳和鈷元素。

請注意，這些反應都沒有產生黃金！但是，不管是太陽還是質量大很多倍的恆星，它們都有機會產生珍貴的黃金。

當恆星核心的氫燃料消耗一空，其核心就會收縮和變熱。在質量至少達到太陽40%以上的恆星中，溫度將達到啟動氦聚變的程度，這會讓恆星演變成紅巨星。氦聚變將導致恆星膨脹到原來體積的數百倍，而輸出的能量也將增加幾個數量級。在隨之而來的核反應過程中，自由中子會出現，讓重元素得以逐個成形。這個過程能夠一路產生原子序數達82/83（鉛/鉍）的元素，但數量相對較少，而且原子序數也無法更進一步了。

當恆星最終耗盡核心的核燃料，它會收縮成白矮星，外層物質四散，成為星際物質的一部分。宇宙中的一小部分黃金來自於行星狀星雲，這是類太陽恆星演化的最終狀態。

如果恆星非常巨大，併產生了那些由鐵、鎳和鈷元素組成的灰燼，其核心最終會內爆，創造出壯觀的II型超新星爆炸！

這種失控反應會在恆星核心產生一顆中子星或者黑洞，並導致外層出現失控的聚變反應，將整個恆星炸裂。然而，除了炸裂恆星之外，這個過程也會產生巨量的自由中子，並讓它們擁有非常快的速度。紅巨星每次給元素增加1個中子，而超新星爆炸每次可以給元素增加5-7個中子，使得產生更重和更豐富的元素成為可能。超新星爆炸產生的豐富元素提供了必要的物質，讓形成地球這樣物質多樣化的岩石行星成為可能。

來自超新星的黃金遠多於行星狀星雲，但還有一種辦法超過了它們兩者。

在極少數情況下，兩顆中子星會發生碰撞。這種情況最經常發生在這樣一種時候，即兩顆巨大恆星死於超新星爆炸，而它們的中子星遺骸向內作螺旋式運動，並發生融合。當這種情況發生時，它們會導致伽瑪射線爆發，形成一個黑洞。或者說，它們96%左右的質量會融合起來形成一個黑洞，而一小部分質量會被拋射出去！這些活動會造成伽馬射線爆發以及中子星物質被拋射出去，其中就包括黃金那樣的重元素。

事實上，一次中子星融合就能產生質量相當於20個月球的黃金，這意味著儘管超新星和行星狀星雲的數量要比中子星融合多出數千倍，但這仍然是元素周期表上重元素——比如金、鉑、鎢，以及釷和鈾那樣的放射性元素——的主要來源。

所以，當你下一次看著自己的金錶和結婚戒指時，不要只感謝自己的幸運之星，還要感恩使這一切成為可能的宇宙焰火。如果沒有這些罕見而壯觀的宇宙活動，我們的世界會失色不少。

譯何無魚 校俆笑音