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如今价格飞涨的黄金,都是从什么地方来的?

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黄金究竟是如何产生的?当今科学理论认为,地球上的金元素来自星际物质聚集,而它和其他超铁元素都来自天体的核反应,特别是中子俘获过程。最近,天文学家发现一个新的快速中子俘获过程的地方——这里便是一个新的黄金产房。

撰文 | 金仕纶(中国科学院近代物理研究所核物理中心研究员)

追寻物质的来源可能发生在生活中的每一个层面。爸爸可能会好奇女儿的新项链是谁送的。女孩自然知道这是男朋友从金店为其购买。金店的店员知道项链是由厂家发货,而厂家使用的金条原料来自某某黄金集团。黄金集团的工程师明白如何找寻地下的金矿并开采出金子。接下来,地下的黄金又是怎么来的?

我们知道,地球的每时每刻都发生着各式各样的反应。那么在地下,是否有一些“反应”为我们制造黄金呢?答案是——绝不可能。为什么?简单地说,是因为地球不够“燥”。地面温度到了40度,大伙儿就受不了。可合成黄金却需要大约40亿度,这样的超高温度在地球天然环境中的任何一个角落都绝不存在。

已有充分的科学证据表明,地球上的所有的元素均来自飘零的星际物质的聚集,其中就包括金元素。因此,人类能享受黄金所赋予的尊贵与财富,应该感谢来自宇宙中某一处特别产房的馈赠。

这个产房在哪里?里面又到底发生了什么?这些问题吸引着科学家们去探索回答。而这也是核天体物理学这门学科的使命——追问物质在原子核层次的起源

属性决定了宇观世界的宏大表征

今天的知识让我们知道,宇宙大爆炸产生了氢、氦及少量的锂。随后,恒星的形成触发了熔合反应,更重的元素开始生成。如一颗有25倍太阳质量的恒星,其内部就像一颗洋葱,最外层氢燃烧成氦,次外层氦可燃烧成碳,接下来还有碳燃烧、氧燃烧、氖燃烧、硅燃烧。然而,当硅燃烧的产物——铁居于恒星中央时,它则无法继续燃烧生成更重的元素。这是因为库伦排斥难以被克服,且由于合成更重元素的核反应都是吸热反应,而恒星内部并不具备这样的热源。因此,比铁(26号元素)更重的元素,包括人见人爱的黄金,就需要新的产房以获得生命。

图:恒星核合成的洋葱模型示意图丨图源:clipartkey

自1957年核天体物理这门学科诞生以来,比铁更重的元素起源一直是其前沿热点。时至今日,通过大量的天文观测、合成演化计算及核物理量的测量,核天体物理学基本建立了理解超铁元素核合成的框架,其本质是由一系列核反应生成更重的原子核

这里可以简单理解为,一个质量数在60左右的铁原子核不断拾取其他核子让自己豹变,成为新的原子核。这里的“拾取”其实就是各式各样的原子核反应。

核反应是在非常微观的尺度内发生着,其距离和时间都远远小于纳米与纳秒。有趣的是,这些反应却决定了宇宙中元素的含量,进而决定了我们能看到的最终的生命形态、物质形态。正是这种微观的内在属性决定了宇观的宏大

里程碑事件——双中子星合并的发现

尽管原子核反应类型不少,但最为重要的要属中子俘获过程。这是因为,中子不带电没有库伦排斥,反应相对容易发生。其中,又以快中子俘获过程(rapid neutron capture process,简称为“r-过程”)为当今研究的前沿热点。

然而由于观测及测量困难,r-过程中还有很多谜团尚未完全解答。这里主要集中在两个方向:r-过程发生在哪?是怎么发生的?

2017年8月17日,引力波探测器LIGO测到了一个双中子星合并的引力波信号。随后,世界不同机构的观测装置都发现了这一事件所产生的大量电磁信号。通过分析这些信号,科学家们得出了一个重要结论:超铁元素产生了,比如38号元素锶、镧系元素。甚至在74天后,依旧有一批寿命较长的不稳定核素被观测到。因而,这一事件标志着人类第一次敲定了r-过程发生的地点

图:双中子星合并艺术图丨图源:Robin Dienel/Carnegie Institution for Science

双中子星合并的发现,在多个层面都堪称是核天体物理学发展的里程碑事件,譬如它开启了多信使测量的时代,敲定了r-过程的发生地,引领并重塑了此后本领域研究趋势。

然而,双中子星合并是唯一的r-过程发生地点吗?一系列研究显示,恐怕不是。比如,在统计了大量贫金属星中的稀土元素后,研究发现双中子星合并能产生的稀土元素远小于观测值。这意味着如果双中子星合并是宇宙中唯一的r-过程地点,那么含量如此丰富的稀土元素就找不到合适的来源。这里需要指出,目前稀土元素被认为只能在r-过程中产生,因此其是发生r-过程最直接的证据。

发现新的产房

因此,探索r-过程的发生地点,只是刚刚开始。还需要寻找新的地点才能更深入地解释元素起源。

事实上,早在双中子星合并被观测到之前,有多个理论模型预言了r-过程的发生地。长期以来,核塌缩超新星爆发被认为是r-过程的发生地,然而近年的研究指出,核塌缩超新星爆发即使可以发生r-过程,也是弱r-过程(中子俘获不再主导),质量较重的元素并不能够在此产生。当前,受到更多瞩目的理论场景是磁转动超新星爆发和坍塌星

在本文中,我们将介绍一个新的r-过程地点——共有包层喷射流超新星爆发(Commom Envelop Jet Supernovae,CEJSNe)。最近,一项发表在《天体物理学报》(The Astrophysical Journal)的研究首次给出了在CEJSNe中发生r-过程核合成的详细机制,并展现了一些相当有趣的特征。

一个双星系统在其生命的末期可以发生这样的情形:质量较大的恒星通过超新星爆发成为一颗中子星,而质量较小的恒星成为一颗红超巨星。红超巨星的半径非常之大,乃至于吞噬了中子星。这时候由于引力的作用,红超巨星的核芯将会被中子星吸积,并在中子星表面形成一个盘旋的吸积盘。

随着两者距离越来越近,越来越多的物质被快速吸积到中子星,导致剧烈的喷射流自吸积盘的两极喷射出去。而这滚烫浓密的喷射流则满足发生r-过程的条件:数十亿度的高温,每立方厘米数吨的物质密度,丰富的中子

图:共有包层喷射流超新星爆发的艺术图丨图源:近代物理所

研究发现,共有包层喷射流超新星爆发是目前最强的超镧元素合成地点,能够产生较多的“第三峰元素”,包含铱、锇、铂、金等。也就是说,如果它在宇宙中多发生几次,就会有更多的黄金产生。

图:彩色线条代表共有包层喷射流超新星爆发中r-过程最终产生的元素丰度,红点代表太阳系中的观测值。共有包层喷射流超新星爆发有一个很强的第三峰,其强度要比太阳系丰度大约高出10倍。丨图:金仕纶

除了第三峰元素,共有包层喷射流超新星爆发对更重的锕系元素也青睐有加。它可以产生相当丰富的钍,同时能很好地解释过去的一个谜题。在2018年,人们通过天文观测发现一颗很特殊的星,它有着极为丰富的钍含量。钍-232有着长达140亿年的半衰期,与宇宙的年龄相当,因此可被用来计算恒星的年龄。但是,当使用其它r-过程模型时,得到的恒星年龄要么为负值,要么远超宇宙年龄,明显不合理。而使用CEJSNe模型后,则能得出合理的数值。

结合天文学家对恒星的观测,还能对CEJSNe模型做进一步的检验。

曾经人们认为所有的恒星都有着相同的元素丰度,后来科学家发现有一种恒星的铁元素与氢元素比值小于太阳的比值,并将其取名为“贫金属星(metal poor star)”。在这种恒星中,有一类叫做“r-过程增强贫金属星(r-process-enhanced metal poor star)”,因其拥有丰富的中子俘获元素,被认为是宇宙中宝贵的r-过程检验器,对理解重元素的起源有着极为重要的作用。

在提取了被标定为r-过程增强星的天文观测量及相关理论模型值后,研究发现CEJSNe模型与其它理论模型呈现出很好的反关联关系。这表明,丰富的稀土元素和超镧元素不能同时出现在同一次r-过程核合成中。如果没有CEJSNe,r-过程增强星的观测值将很难被理论模型解释。

图:研究首次提出了一个二维数量,既log(Ir/Eu) VS log(Xla),log(Ir/Eu) 代表第三峰元素的相对强度,而log(Xla)是稀土元素的含量。图中,CEJSNe、磁转动超新星爆发和坍塌星构成了一个线性关系,表明在同一次r-过程中不能同时产生丰富的稀土元素和第三峰元素。丨图:金仕纶

展 望

未来,有关新的重元素产房的研究可能会不断带给我们惊喜。

自然界中稳定的原子核约三百个。随着核物理学的发展,百年来科学家们在实验室内合成了三千多个不稳定的原子核。但受限于加速器的能力,r-过程路径相关的原子核此前无法在实验室被制造出来,因此科学家也无法测量其性质。人们在研究演化过程时,使用的基本都是理论值,这使得深入了解r-过程如何发生成为难题。

图:强流重离子加速器俯瞰图丨图:曾琪超

近年来,随着美国稀有同位素束流装置实验室(FRIB)、日本理化学研究所(RIKEN)的装置投入运行,相关物理量的测量已经逐步开始。在我国广东省惠州市,由中国科学院近代物理研究所主持建设的强流重离子加速器(HIAF)预计于2025~2026 年完成调试并开始运行。未来,在这座位于海边的巨大加速器里,关于重元素产房里的细节有望被逐一揭示。

本文经授权转载自微信公众号“中国科学院近代物理研究所”,原标题《一个新的黄金产房》,编辑:刘芳;审核:周小红。论文链接:

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

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