科學也可以如此靠近

惹人喜愛的金子從何而來?你肯定想不到它是從宇宙中「炸」出來的

3月
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2019

2019年3月23日20時 天文在線

天文在線

地球上的黃金有可能由中子星的碰撞產生

諾克斯堡礦,現今阿拉斯加境內最大的,正在發掘的黃金礦。基於對太空的觀測,有說法認為地球上的黃金來自於罕見的中子星碰撞。

金,原子序數79,元素符號AU。人們鍾愛的這種貴金屬可能起源於外太空的一場極其罕見且狂暴的爆炸。顯然這種貴金屬源於一聲巨響。

多年來科學家已經建立了理論,認為元素周期表中的像金,鉑,鉛和鈾這樣的重元素起源於超新星爆炸。但是六月份的一個天文觀測表明這些元素來自於更加奇異的事件:被稱為「中子星」的超高密度天體間碰撞。

脈衝星PSR B1509-58的輻射,一個快速旋轉的中子星,使得周邊氣體X射線發光(金色,來自錢德拉)並且照亮星雲的其他部分,這裡以紅外線可見(藍色與紅色,來自WISE)。

一直以來,我們都認為地球上的元素起源於彗星。舉個例子,我們體內的碳元素和氧元素來源於恆星內部,它們在恆星的高溫高壓下形成。之後超新星爆炸,它們被噴到宇宙中。這的確對,正如已故的天文學家卡爾·薩根所說,我們都是恆星的填充物。

但是新的證據表明地球上的金並非來自於超新星爆炸,而來自於中子星碰撞。

「我們都是恆星填充物,我們的首飾是恆星碰撞的填充物。」在麻薩諸塞州劍橋市的哈佛史密斯中心主導研究天體物理學的艾多·伯格說道。
金的誕生

中子星是超新星爆炸時恆星內核坍縮形成的。一顆中子星大體上的直徑可能是一個市區的大小,但卻有著和太陽同樣的質量甚至更多。由於重力,所有的物質擠在一起,直到連原子都坍縮了,最後成為了有原子核密度的的物質。滿滿一匙中子星材料在地球上可能重大約五百萬噸。

宇宙中的這些「水果糕點」大多是獨居的漫步者,但有些結伴而行,就像雙子星多出來的那部分一樣。他們會互相繞行十億年,而後逐漸靠近,遵從愛因斯坦的廣義相對論盤旋上升。未來某一天,他們會進行毀滅性的融合。

這種事件在銀河系中不是常見的。在銀河系,有著成百上千上百萬的的恆星,這樣一場中子星碰撞可能每100,000年才會發生一次,伯傑這樣說到。但是宇宙很龐大,有著上百萬的星系,因此做全宇宙研究的天文學家偶爾會觀察到這些罕見的現象。所以在六月三號,NASA的斯威夫特太空望遠鏡在獅子座3.9百萬光年之外的星系觀測到了短γ射線脈衝(GRB)的閃爍。

系列的影像顯示在星系NGC 1365的一顆超新星爆炸,光度快速的變亮和緩慢的變暗。

這個脈衝持續時間只有十分之二秒。天文學家們爭相用智利的一台望遠鏡和哈勃望遠鏡進一步觀測那一小片星空。

他們看到之前觀測到GRB的地方有東西在閃爍。對比了他們的觀察與理論模型之後,天文學家得出結論,他們看到的放射性光輝來自於中子星融合引起的爆炸中大量重金屬的形成。

這個觀察可能解釋了這種短周期的GRB。這些光的閃爍會短暫地照耀整個星系。雖然中子星碰撞被認為是這種GRB的來源,但是現在有了直接的觀測,「我們現在有了種冒煙的手槍」,Berger說。

在一顆大質量0恆星內的演化(a)洋蔥結構的殼層,形成鐵芯 (b)達到錢德拉塞卡極限開始坍塌。核心內部被壓縮形成中子 (c)造成崩落的物質反彈 (d)並形成向外傳播的衝擊波(紅色)。衝擊波停滯(因為能量消耗)(e)但可能是與中微子的相互作用,使它重獲活力。周圍的物質被驅散 (f)只留下簡併的殘骸。

一對中子星可以在碰撞前互相環繞十億年,然後,伯傑說:「幾件令人激動的事會很快發生。」大多物質坍縮形成一個黑洞。一些物質被噴到宇宙中。那種物質富含中子,會促使形成越來越重的元素,就像泥土堆積在一輛越野車上。

「需要許多中子射向原子核形成一些重的元素,像金,鉛或鉑。」加利福利亞大學伯克利分校的天體物理學家丹尼爾·卡森說道。

這些爆炸產生驚人數量的重核。卡森為六月三號的事件做了粗略的計算,發現它產生大約二十個地球質量價值的金。那些金足夠裝滿100萬億的油輪。

如果鉛是你的,那該高興了:這些碰撞產生七倍的鉛一樣的金。「炫耀著光芒的新星」這個名字來描述這個事件,因為我們看到的基本上是一種華而不實的微光,卡森說道。

一個遺留問題:這是否意味著金和其他金屬可能都是在超新星中產生的?伯格的計算表明中子星的起源造就了宇宙中所有的金。

在周三的新聞發布會上,他回答了一個問題,說不能排除金來自於普通超新星的可能性,但真的沒有必要祈求用另一種方法證明金的來源。

在牙醫裝飾某人的門牙前,要形成金原子還有許多要做的準備工作。金在風中基本是霧狀的塵埃,直到它進入一群可以聚集的物質中,通過重力來到一群行星圍繞中心恆星轉的太陽系中。

在地球早期的歷史中,蘊含金的小行星不停地撞擊地球表面。在十億年或者更久以後,地球的地質過程使金原子聚集,於是形成了礦脈和天然塊金。金,幾乎是不活潑的,不能和其他元素反應。

它是一個升華的過程,這就是地球所做的。金在地球上十分稀有,大約是占地殼十億分之一的部分。華盛頓卡內基研究所的地質學家羅伯特·海森說道。

地球上大多數金都在地核中,並且一直有一種猜想認為地球的中心是個純金的。所以,地球真的有黃金心臟嗎?他們還沒有找到一種方法去檢驗。

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