http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2013-07-19
诺克斯堡金矿是目前美国阿拉斯加州境内规模最大的金矿。一项最新研究认为宇宙中的金元素起源于中子星之间的相撞
示意图：最新研究指出宇宙中的金元素起源于中子星之间的相撞
正在空间运行的美国宇航局“雨燕”伽马射线观测望远镜
新浪科技讯 北京时间7月19日消息，据美国《华盛顿邮报》报道，金，化学元素周期表中的第79号元素，符号Au，地球上最广受欢迎的贵金属。科学家们认为，这种美丽金属的起源可能是一种罕见而剧烈的爆炸事件。
长期以来，科学家们都认为元素周期表上的重元素，如金，铂，铅和铀等，都起源于宇宙中超新星的爆发。然而近期的一项研究给出了一种不同的可能性，研究人员指出，这些重元素的起源可能是一种更加狂暴而罕见的机制：密度超高的中子星之间发生的相撞。
有一点是毫无疑问的，那就是地球上的元素来源于宇宙。以我们身体内的碳和氧为例，它们是在恒星内部的超高温高压环境下形成的。当恒星衰亡并发生超新星爆发时，这些元素便被抛洒进入宇宙空间之中。因此，正如已故著名的天文学家卡尔·萨根所说的那样：我们是由星星的物质组成的。
新的机制
而现在，有关这一问题的解释又有了新的进展，一项研究认为金和其它重元素并非来自超新星爆发过程，而是中子星之间的相撞。艾多·贝格(Edo Berger)是提出这一新理论的首席研究者，来自美国哈佛-史密松天体物理中心。他说：“我们是由星星的物质组成的，而我们所用的首饰则是星星相撞的产物。”
中子星是恒星衰亡并发生超新星爆发之后残留的遗骸，其密度极高。直径可能仅有数百公里的一颗中子星，其质量可以和太阳一样甚至更高。这是因为在惊人的重力作用下，所有的一切都被压垮，甚至连原子都已经被破坏，所有的物质都被压进了原子核。在地球上，如果你拿着一勺中子星物质，那么这一勺子物质的重量将达到50亿吨。
绝大部分中子星都孓然一身，然而也有极罕见的情况下，会有两颗中子星组成双星系统。它们可以在一起相互绕转数十亿年，但是在这一过程中会逐渐相互靠近，这是爱因斯坦广义相对论中早已预言的情景。直到有一天，这两颗中子星终于陷入毁灭性的相撞。
这种情形即便从星系尺度上来说也是非常罕见的。据估计，在整个银河系中拥有数千亿颗恒星，但是类似这种案例大约每10万年才可能发生一次。然而宇宙是广阔的，其中包含着数以千亿计的星系，因此当天文学家们进行巡天观测时总会观测到一些这类事件。其中之一便是今年6月3日的那一起，在这一天，美国宇航局的雨燕空间探测器在距离地球39亿光年外狮子座方向的一个遥远星系中观测到一次短促的伽马射线暴(GRB)。
跟进观测
这次爆发仅仅持续了0.2秒左右。天文学家们急忙调用位于南美洲智利境内的大型望远镜以及哈勃空间望远镜来对这片天区进行跟进观测。他们在发生伽马射线暴的区域上观测到某个东西在发光。在将观测的结果与理论模型进行对比之后，科学家们得到结论认为这是大量重金属元素形成之后产生的放射性辉光，这些重元素是在一次中子星的撞击事件中产生的。
这次观测结果可以部分地帮助解释瞬时伽马射线暴的产生原因。这种剧烈的爆发现象的亮度在短时间内甚至可以超越其所在的整个星系。尽管中子星的相撞作为瞬时伽马射线暴来源的机制此前便已经有研究者提出，然而这次是首次获得直接的观测证据。正如贝格所说：“我们逮了个正着。”
组成双星的两颗中子星可以相互绕转数十亿年，最终发生相撞。贝格说，这时候就会发生一系列有趣的事情。其中绝大部分物质将会发生进一步塌缩，形成黑洞，而另外一部分物质会被抛入太空。这些物质中富含中子，这样便会形成原子量越来越大的元素，这就像是汽车挡泥板上不断累积的泥浆一样。
丹尼尔·卡森(Daniel Kasen)来自美国加州大学伯克利分校，是一名天体物理学家。他说：“你需要很多中子并将它们射向那些‘种子核子’，才能合成那么重的元素，比如金，铅，或者铂。”
数量惊人的贵金属
在这类撞击爆炸事件过程中将会产生数量惊人的重元素。卡森对6月3日的事件做了粗略的估算，结论认为这次事件中大约产生了相当于20倍地球质量的黄金。卡森开玩笑说，这一数量足以装满100万亿个油桶。而如果你对黄金不感冒而是更加喜欢铂金的话，没关系，这次撞击事件中所产生的铂金数量甚至还要比产生的黄金多7倍。卡森说：“我倾向于将这种爆炸事件命名为‘blingnova’(类似英语中超新星‘supernova’。这里Bling意为珠宝首饰——编译者注)，因为实际上我们所看到的便是好多闪亮的宝藏。”
但是问题依旧：这是否意味着黄金和其它金属实际上无法在超新星爆发机制下形成？贝格的计算认为，中子星相撞机制可以完全解释宇宙中金元素的丰度。在周三召开的一次新闻发布会上，卡森在被问及这一问题时这样回应，他说他目前还无法就此排除超新星爆发机制下可以形成部分黄金的可能性。但是他也表示“实际上并没有必要再去设想第二种机制。”
然而别高兴的太早，这些形成的金元素要最后变成在你手中的黄金首饰之前还要经过漫长的过程。首先这些金元素都是以原子形态存在于宇宙空间之中，它们必须被宇宙间的尘埃气体云团吸附，并等待这一气体尘埃云团在重力塌缩作用下逐渐收缩形成一个类似太阳系的行星系。
在地球历史早期，含有金元素的小行星不断撞击原始地球。在长达数十亿年的时间内，地球的地质作用让分散的金元素逐渐积聚，终于形成块状或粒状的纯金。金元素化学性质不活泼，几乎不与其他元素发生反应。
罗伯特·哈岑(Robert Hazen)是华盛顿卡内基研究院的一名矿物学家，他说：“这是一种分馏过程，这是行星产生的作用。”在地球的元素组成中金元素含量是很低的——在地壳中丰度约为十亿分之一。哈岑表示，地球上大部分的黄金都位于地核之中，甚至还有一种观点认为在地球内核的最深处有一部分区域是完全由纯金组成的。所以，地球拥有一个黄金的内心吗？到目前为止这还是一种理论，科学家们还无法予以证明。(晨风)
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