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宇宙中的所有元素，以鐵為分界線，劃分為兩大陣營(yíng)，即輕元素和重元素。鐵元素及原子序數(shù)在鐵以下的元素，基本上都可以在恒星的演化進(jìn)程中“鍛造”出來(lái)。在恒星內(nèi)核高溫高壓以及量子隧穿效應(yīng)的作用下，較輕的元素原子之間發(fā)生核聚變反應(yīng)，也就是通過(guò)“質(zhì)子融合”形成原子序數(shù)更大的元素。

恒星造就的元素

恒星的質(zhì)量越大，內(nèi)核發(fā)生核聚變反應(yīng)的強(qiáng)度就越大，最終推動(dòng)核聚變反應(yīng)向縱深方向發(fā)展的條件就越充分，因此反應(yīng)的產(chǎn)物原子量也就越大，一直到鐵為止。由于鐵原子的比結(jié)合能最高，如果讓它繼續(xù)發(fā)生核聚變反應(yīng)，那么所注入的能量將要比釋放的能量高，所以僅靠恒星內(nèi)部核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量，不足以推動(dòng)鐵繼續(xù)發(fā)生核聚變反應(yīng)，巨大恒星的內(nèi)核往往到產(chǎn)生鐵的時(shí)候，也意味著恒星生命周期已經(jīng)進(jìn)入尾聲。

然而，宇宙包括地球的地層中，都含有一定量的金、鉑以及其他重金屬元素，長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們對(duì)這些重金屬的來(lái)源感到迷惑，因?yàn)檫@些重元素的形成過(guò)程，必須要具備比恒星更多能量的反應(yīng)環(huán)境。

超新星爆發(fā)造就的元素

于是，科學(xué)家們目標(biāo)瞄向了超新星爆發(fā)，這是大質(zhì)量恒星在生命末期，由于內(nèi)部核聚變停止后，外部物質(zhì)向內(nèi)核急劇坍縮所引發(fā)的強(qiáng)烈“爆炸”，在巨大能量的加持下，某些區(qū)域重啟了更為強(qiáng)烈的核聚變，從而形成不可控的聚變反應(yīng)，將恒星外層物質(zhì)從“母體”中剝離以粒子的形式拋灑出去，甚至將整個(gè)恒星都“炸為烏有”。

在超新星爆發(fā)過(guò)程中，巨大的能量輸入，為那些原來(lái)恒星聚變的產(chǎn)物提供了繼續(xù)“合并”的條件，其中以“快中子捕獲”最為突出。以鐵原子為基底，在巨大能量加持下，外界的自由質(zhì)子被壓進(jìn)鐵原子核中，在極短的時(shí)間內(nèi)，通過(guò)“快中子捕獲”聚合形成很多比鐵元素原子序數(shù)還要高的重元素。

不過(guò)，因?yàn)槌滦潜l(fā)的時(shí)間很短，在這么短的時(shí)間內(nèi)，不足以形成足夠多的重元素，一般情況下，無(wú)論是新生成還是通過(guò)更重元素的衰變，產(chǎn)生穩(wěn)定重元素都需要一定的時(shí)間，越重的元素所需的時(shí)間就越長(zhǎng)，所以，對(duì)于目前宇宙中存在的諸多重元素，超新星爆發(fā)的條件顯然還不夠。

中子星合并造就的元素

在這樣的背景下，科學(xué)家們又將尋找宇宙“金礦”的目標(biāo)瞄向了中子星。在理論上，當(dāng)中子星合并或者相互之間發(fā)生碰撞時(shí)，仍然會(huì)發(fā)生較為強(qiáng)烈的快中子捕獲，而且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。在這個(gè)過(guò)程中，在中子星上會(huì)形成巨大的潮汐力，兩顆中子星就像拖著長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴一樣，并且向空間中拋灑大量中子星物質(zhì)。

被拋灑出去的中子星組成物質(zhì)，由于極其不穩(wěn)定，特別是其中的重核會(huì)快速發(fā)生衰變，在衰變的過(guò)程中，像金、鉑等大量的穩(wěn)定態(tài)重金屬元素相繼形成。通過(guò)這種方法，理論上產(chǎn)生的穩(wěn)定重元素比例，要比超新星爆發(fā)高出許多數(shù)量級(jí)。

這種推測(cè)，科學(xué)家也通過(guò)天文觀測(cè)的方法得到了證實(shí)。在 2017 年，美國(guó)和意大利的引力波天文臺(tái) LIGO 和 Virgo ，首次發(fā)現(xiàn)在雙中子星合并的過(guò)程中形成大量重元素的現(xiàn)象。兩個(gè)引力波探測(cè)器接收到的“時(shí)空漣漪”，距離地球約1.3億光年，而造成“漣漪”的來(lái)源就是兩顆中子星的合并。

在這兩顆中子星合并時(shí)，發(fā)出了耀眼的閃光，通過(guò)光譜儀器測(cè)量發(fā)現(xiàn)，其中包含著明顯的重金屬元素的特征，特別是展現(xiàn)出“合成”的金元素?cái)?shù)量，甚至比地球的重量還要大上好多倍。通過(guò)數(shù)學(xué)模型測(cè)算，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，與超新星爆發(fā)相比，雙中子星合并事件，是產(chǎn)生宇宙中重元素最有效的方式，沒(méi)有其一，就連中子星與黑洞合并都趕不上這種方式。因此，從某種意義上來(lái)說(shuō)，中子星的合并，造就了宇宙中最重要的“金礦”。

“終極天體合并”事件的競(jìng)爭(zhēng)

在宇宙的“終極天體”合并事件中，黑洞與黑洞、黑洞與中子星以及中子星之間的碰撞合并，這3者肯定會(huì)排在前三位。不過(guò)，由于對(duì)單一黑洞監(jiān)測(cè)的難度極大，黑洞與黑洞合并相較于其它兩種合并事件來(lái)說(shuō)，被發(fā)現(xiàn)的幾率就更低了，況且黑洞與黑洞合并，都會(huì)組合成更恐怖的“引力陷阱”，除了伽馬射線、引力波等外，其它物質(zhì)是很難逃脫的。

所以，宇宙“金礦”之爭(zhēng)，就落在了黑洞與中子星、中子星與中子星這兩者之間。與黑洞與黑洞合并不同的是，在某些條件下，黑洞可能會(huì)破壞中子星，使其在黑洞完全吞噬恒星之前，會(huì)產(chǎn)生“火花”并噴出很多重金屬物質(zhì)。

有研究團(tuán)隊(duì)利用LIGO 和 Virgo，對(duì)兩顆中子星合并、中子星與黑洞合并事件進(jìn)行了研究分析。根據(jù)相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及模型模擬計(jì)算結(jié)果，當(dāng)考慮到物體質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)、破壞程度和發(fā)生率的不同組合情況下，平均而言，雙中子星合并產(chǎn)生的重金屬量，將是中子星和黑洞合并產(chǎn)生重金屬量的 2 到 100 倍。所以，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，宇宙“金礦”的桂冠，應(yīng)該頒發(fā)給中子星合并。

隨著LIGO 和 Virgo的優(yōu)化和完善，2022年將進(jìn)入升級(jí)觀測(cè)階段。對(duì)于重元素觀測(cè)來(lái)說(shuō)，這兩個(gè)天文觀測(cè)臺(tái)，將為科學(xué)家們深入研究 “終極天體”合并產(chǎn)生重元素的速度提供更全面的數(shù)據(jù)，同時(shí)，根據(jù)觀測(cè)到的各種元素豐度和空間分布，科學(xué)家們也可以判斷和確定遙遠(yuǎn)星系的年齡，可謂一舉多得！

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