地球上的黄金是怎么来的？弄懂原理一起“挖金”去！
来源:中科院半导体所发布时间:2022-08-161549浏览
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原文作者：王爽
LIGO（激光干涉引力波天文台，是借助于激光干涉仪来聆听来自宇宙深处引力波的大型研究仪器。）在 2015 年探测到了历史上的首个引力波源GW150914。
截至 2018 年底 LIGO 发现的 11 个引力波源上图展示了这 11 个引力波源的基本情况。图中的蓝色和紫色的圆点代表一个个黑洞，而黄色和橙色的圆点代表一个个中子星。纵轴的数字，则标记了这些天体的质量是太阳的多少倍。图中的箭头，代表着两个较小天体并合成一个较大天体，并释放引力波的事件。其中有 10 个引力波事件，都是两个黑洞发生并合；只有 1 个引力波事件，是两个中子星发生并合，当然，这也是人类历史上观测到的首个双子星并合事件。我们要科普的，就是这个双中子星并合事件。因为它回答了一个绝大多数地球人都会感兴趣的问题：黄金是怎么来的？
黄金是由原子序号为 79（即原子核里有 79 个质子）的金元素所构成的金属单质。它拥有美丽的金黄色泽，并且几乎不会与其他的任何元素发生化学反应。由于含量稀少，加上化学性质稳定，黄金在历史上常被当作法定货币，并被视为财富的象征。
图源：pexls
不过，这些黄金到底是怎么来的呢？这个问题困扰了人类数千年之久。人们提出过很多稀奇古怪的猜想：有人说它是汇聚的阳光，有人说它是硬化的水，还有人说它是由廉价金属转化而成的。当然现在我们已经知道，这些猜想通通都不靠谱。地球本身不可能制造黄金，所有的黄金都来自天上。一直到 20 世纪下半叶，才有两个天文学家找到了破解这个世纪难题的关键线索。他们就是我们前面见过的霍伊尔和福勒。在介绍霍伊尔和福勒的理论之前，让我们先来简要回顾下一些关于恒星演化的基础知识。恒星诞生的标志是其中心区域点燃了氢核聚变。在主序星阶段，恒星中心的核聚变会有两种情况：对于像太阳这样的小质量恒星而言，核聚变反应的尽头是产生氧元素；对于超过太阳质量 10 倍的大质量恒星而言，核聚变反应的尽头是产生铁元素。为什么大质量恒星核聚变反应的尽头是铁元素呢？下图就可以解释其中的道理。此图的横轴是某种原子核中包含的核子（核子包含质子和中子）的数目，纵轴则是这种原子核的平均结合能。所谓的平均结合能，就是把原子核中的每个核子结合在一起所需要的平均能量。正如图中展示的，在所有的化学元素中，铁的平均结合能是最大的。
千新星拉蒂默和施拉姆发现，在双中子星并合的过程中，同样可以发生“中子俘获”现象。被甩出去的那部分中子星物质里含有很多铁元素。这样一来，铁原子核就可以不断地捕获中子，从而制造出包括金在内的所有重元素。而与超新星爆发不同的是，双中子星并合的时候没有任何外层物质的阻拦，根本没有失败的可能。因此，双中子星并合就能产生比超新星爆发更多的黄金。几十年来，人类一直没有观测到双中子星并合产生的千新星，因而无法验证这个理论是否正确。这种状况，在 2017 年 8 月 17 日发生了彻底的改变。2017 年 8 月 17 日，天文学界出现了一场狂欢。在那天的 12 点 41 分（协调世界时），费米太空望远镜向地面发送了一条简讯，说它刚刚探测到了一个来自宇宙深处的伽马射线暴。短短 6 分钟之后，LIGO 也传来消息，说它在刚刚提到的伽马射线暴差不多的时刻，也探测到了一次引力波爆发事件。不仅如此，LIGO 还确定了这个引力波源所处的大致范围，并在 13 点 21 分把这个消息发送给了世界各地的望远镜控制中心。全世界的望远镜都在同一时间指向了同一方向，并真的在与地球相距 1.3 亿光年的 NGC 4993 星系中，发现了一颗双中子星并合所产生的千新星。
双中子星并合的大致方位全世界的天文学家都沸腾了。这是人类历史上首次观测到一个天体同时发出电磁波和引力波。这个发现开启了多信使天文学的新时代。当然，这个发现也验证了双中子星并合会产生黄金的理论。根据天文学家的估算，这次的双中子星并合事件大概能产 1.8×10的24次方吨的黄金，大概相当于 300个地球的总质量。不知道这么多的黄金，最终会落入谁的口袋。
编辑：木心
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