宇宙中所有的黄金都来自恒星吗?

两颗中子星在宇宙深处碰撞(想象图)。除了产生引力波,这样的事件还能产生许多重元素,包括金。

人类对黄金的迷恋有久远的历史,而当我们知道这种贵重金属来自于恒星之后,对它的迷恋又加深了一层。在一个遥远的星系,两颗中子星相互环绕,似乎正在上演一场芭蕾舞,既是终极的毁灭,又是不可抗拒的新生。

这两个天体都是大质量恒星的遗留,很可能来自于一个早已成为超新星的双星系统。它们的质量都令人难以置信,其中子挤压得如此之紧密,以至于核心都变成了钻石。可惜,这场舞蹈不可能永远持续下去,两颗中子星终将碰撞,释放出难以想象的能量并发射出引力波,疾速穿过时空结构。

13亿年后的2017年,天文学家通过激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到了这些时空涟漪。爱因斯坦曾预测,宇宙中应该充满由大质量物体引力所导致的微弱涟漪,其来源有一些便是中子星合并事件。然而,在LIGO之前,从这类事件中寻找时空结构中的扰动是十分困难的。当探测到引力波的消息传出后,全世界媒体都想知道中子星相撞时还会发生什么。天文学家解释称,在恒星毁灭和引力波之外,这样的事件还会在瞬间产生我们已知的所有重元素。在一些媒体看来,这一解释的最关键信息是:黄金来自外太空。

镀金的历史

在大质量恒星剧烈毁灭过程中形成的众多元素中,“金”应该是最能激发人类想象力的元素,这并不奇怪。

从生物学的角度,生命所必需的元素如碳、氧、钾和硫等,应该是最受欢迎的几种元素,但我们与黄金有着古老的情感联系。几千年前,古人可能在溪流中看到某个闪闪发光的物体,于是就捡了起来,人类与金子的故事由此开始。这种金属看起来似乎很有趣,但由于质地太软,所以不是很有用。考古学家在保加利亚发现了一颗6500年前的金珠,还在黑海发现了一枚近3000年前的金币。英国最古老的黄金制品被发现时埋在巨石阵之下,其中部分陪葬品属于一个来自欧洲的神秘人士。

埃及法老图坦卡蒙的面具是地球上最著名的古文物之一。它主要由黄金制成,并饰以宝石,重达10.23公斤。

古埃及人在其首都底比斯以南的地方拥有巨大的金矿,使他们能够将图坦卡蒙的木乃伊用黄金包裹起来。其他古代文明很少拥有这样的财富。当这具木乃伊被打开时,考古学家发现了两把匕首。一把由陨铁制成,另一把由纯金制成。

黄金被视为珍宝,尽管只能用于装饰或交易,除此之外没什么用处。但黄金的稀缺性使它令人向往,不变的本质使它分外诱人:与银会变黑、铜会变绿、铁会生锈不同,黄金永不改变。黄金似乎是不朽的,堪称众神给予人类的礼物。

这枚来自阿契美尼德王朝(波斯第一帝国)的金币大约是在公元前420年铸造的,用来纪念大流士二世。

20世纪的科学才揭开了这个谜团。铁、银和铜会因氧化反应而生锈或变色。氧原子总是渴望电子。铁会把两个或三个电子给氧,结果就会氧化(生锈)。其他元素也会成为氧气的受害者。但黄金不是,它是所有金属中最不活泼的,因为它拒绝与氧共用电子。

基本的事实

与元素周期表上的所有重元素一样,地球上并没有多少黄金可供发现。如果把人类历史上开采的所有黄金收集起来,变成一个立方体,那么它的边长只有约21.3米。这大约是183000吨黄金。听起来很多,但熔化后只能填满三个半奥运会游泳池。2018年,巴里克黄金公司(全球最大的金矿开采公司,总部位于加拿大多伦多)在内华达州的金矿加工了数百万吨矿石,仅提取了400万盎司(125吨)黄金。

1933年的圣高登斯双鹰金币是最稀有的美国硬币之一。当时铸造的44.5万枚金币中,大部分被熔成金条,现在只剩下13枚。

因为密度和重量较高,大部分黄金都下沉到了地球的核心。据澳大利亚地质学家伯纳德·伍德(Bernard Wood)估计,世界上99%的黄金就埋藏在我们脚下数千公里深处。他还估计,地核中蕴藏着1600万亿吨的黄金。伍德的计算显示,如果所有这些黄金都被带到地球表面,将会形成一层闪闪发亮、厚约40.6厘米的金属层。与地球的总体积相比,这些黄金并没有多少。实际上,地核中的黄金含量约为百万分之一,而铂的含量是金的6倍。可以说,黄金是非常稀有的。

“黄金道钉”(Golden Spike)最初由美国实业家利兰·斯坦福钉入第一条横贯大陆铁路,于1869年在犹他州奥格登附近连接了联合太平洋铁路和中央太平洋铁路。目前,这枚道钉在斯坦福大学的康托艺术中心展出。

金色的太阳

1859年的一个晚上,化学家罗伯特·本生(Robert Bunsen)和古斯塔夫·基尔霍夫(Gustav Kirchhoff)在德国曼海姆(距离他们工作的海德堡大学实验室约16公里)工作时,看到一场大火在熊熊燃烧。他们将新改进的分光镜推到窗口,并在火焰发出的明亮光芒中迅速检测出了钡和锶元素。分光镜是他们发明的一种可以将光分解为不同波长的设备,可用于识别化学元素。本生写道,“同样的分析模式肯定也适用于太阳和明亮恒星的大气层。”19世纪下半叶,科学家利用这种强大的工具取得了大量突破性发现。

在1868年8月18日的日全食期间,几位天文学家使用分光镜检测到一种新的元素——太阳中的氦。后来发现,这是宇宙中第二丰富的元素。碳、氮、铁和周期表上所有较重的元素——包括金——最终都被确认在太阳大气中以气态存在。

在18世纪末和19世纪初,对岩石和矿物的收集演变为地质学。查尔斯·莱尔(Charles Lyell)、詹姆斯·赫顿(James Hutton)和伟大的化石收藏家玛丽·安宁(Mary Anning,英国早期化石收集者与古生物学家,第一具鱼龙骨架的发现者)等人清楚地证明,地球的年龄远比许多当时神学家所认为的6000年要久远得多。莱尔和赫顿认为,地球必定有几百万年甚至几十亿年的历史。如果这是真的,那么是什么让太阳和星星能维持如此长的时间呢?

德国物理学家尤利乌斯·冯·迈尔(Julius Robert von Mayer)强烈支持陨星为太阳提供热能的理论。他计算出,在缺乏外部能源的情况下,太阳只能照耀约5000年。他在1848年提出,数十亿颗落在太阳上的陨石为太阳提供了燃料,从而使其发出巨大的热量。据推测,这些物质还给太阳带来了重元素。

在1878年7月29日的日全食期间,美国气象局的气象学家克利夫兰·阿贝提出,日冕是许多为太阳提供能量的陨石。

在1878年的日全食中,美国气象局的第一位气象学家克利夫兰·阿贝(Cleveland Abbe)认为,在日全食中见到的日冕实际上是一群流星正在撞击太阳。然而,科学家很快就证明了日冕由极为稀薄的气体构成,并表明陨星无法作为太阳能的来源。

最终,科学家计算出太阳含有将近2.5万亿吨黄金,足以填满地球的海洋。尽管如此,这也只是每万亿个氢原子中有8个金原子——与太阳的质量相比微不足道。那么,黄金是如何出现在太阳和地球上的呢?

金色的科学

千百年来,炼金术士们一直在努力将一种元素转化为另一种元素。他们在寻找能把铅和汞等贱金属变成金子的“贤者之石”。甚至伟大的艾萨克·牛顿也对炼金术着迷。事实上,一些历史学家称他为“最后一位伟大的炼金术士”。然而,创造这些元素的大自然伟力显然超出了这些早期实验者的掌握。

金的光谱显示了这种元素的独特“指纹”,通过这些光谱学特征便可以识别它的存在。

自爱因斯坦1905年发表狭义相对论以后,重元素的起源便开始引起人们的关注。正是在这项开创性的工作中,质能方程E=mc^2首次出现。一开始,这个方程对我们理解宇宙的重要性并不明显,但如果将它应用于计算太阳巨大的能量输出时,就会产生深远的影响。它不仅解释了为什么太阳和其他恒星可以发光几十亿年,而且有助于揭示重于氢的元素究竟如何形成。

当E=mc^2出现在脑海中时,大多数人会想到第一颗原子弹,以及原子分裂,即核裂变的过程。1920年,当时在英国剑桥卡文迪许实验室工作的亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)爵士认为,氢聚变成氦可能是太阳的动力来源。爱因斯坦著名的方程式表明,这个过程中会释放出难以置信的能量。

质子-质子链反应是太阳核心中氢聚变为氦的链式反应。微小质量转化为能量的过程可以由爱因斯坦的著名方程E=mc^2来描述。

在爱丁顿等人着手探索核聚变将近20年后,德裔美国物理学家汉斯·贝特(Hans Bethe)描述了如今广为人知的质子-质子链式反应。这是恒星内部将氢融合成氦的几种核聚变反应中的一种。太阳核心是一大团氢原子“汤”,每个氢原子由一个质子和一个电子组成,它们不停地快速运动。大多数时候,电磁力会排斥任何碰撞。当你试着把两块磁铁相似的磁极粘在一起时,就会感受到这种排斥。然而,当碰撞发生后,质子就会融合在一起。当4个质子最终融合时,氦就形成了,释放能量并使太阳发光。

太阳含有的氢还足够维持这个聚变过程约50亿年。最终,氦也会开始聚变,形成由碳、氮和氧(第8号元素)组成的最终产物。在更大质量的恒星中,更强的引力会产生更多的压力和热量,氧以外的元素也会聚变。不过,这个过程只能持续到铁(第26号元素)在巨星(典型巨星的半径为太阳的10倍至100倍)的核心形成,届时核聚变将停止。最后,恒星的核心会坍缩,然后在超新星爆发中反弹。

1868年约瑟夫·诺曼·洛克耶(Joseph Norman Lockyer)在太阳大气中发现氦的分光镜。

当恒星的外层被抛向太空时,会发生快(R-过程)、慢(S-过程)两种形式的中子俘获反应。由于中子不带电荷,因此它们能比带一个正电荷的质子更容易进入原子核。中子俘获便是原子核与一个或多个中子撞击并形成重核的核反应。在两种情况下,自由中子穿透附近的原子核,被爆炸中释放的元素“俘获”。慢中子俘获(之所以叫“慢”,是因为在俘获其他中子之前,放射性物质就会衰变成其他元素)产生了大约一半比铁重的元素。但元素周期表上还有许多重元素。要产生这些元素,就需要巨大的恒星在碰撞时进行快中子捕获过程。

在天文学家确定了2017年引力波的来源之后,马克斯·普朗克天文学研究所的研究人员就在以接近30%光速向太空膨胀的“物质风暴”中探测到了锶。包括该元素在内的许多元素都是由快中子俘获反应形成的。在这些恒星的合并中,每秒钟会有1022个自由中子穿过1立方厘米的空间。

如此高密度的中子为现有元素快速捕获自由中子创造了条件。锶、钍、铀,甚至金都能在一瞬间形成。然后,这些元素会进入太空深处。在宇宙近140亿年的生命周期中,这种情况发生了很多次,足以播下星云的种子,最终形成像太阳系这样含有金元素——以及所有其他重元素——的恒星系统。

黄金标准

黄金在我们的生活中随处可见。每台手机和电脑里都有这种元素。我们把黄金涂在太阳镜和宇航员的护目镜上。在电子产品和服装中,也经常用到金线。国家之间用黄金来偿还债务。我们用黄金制作珍贵的物品,从珠宝到宗教器物等。我们把黄金镶嵌在牙齿上,甚至用它制成马桶。医生会给病人注射含有黄金的药物,来帮助缓解类风湿关节炎。你甚至可以吃到镀金的巧克力。

卡尔·萨根曾说过一句名言:我们是由恒星物质构成的。事实上,我们周围的世界也是如此。下次当你欣赏手上的金戒指或脖子上的金项链时,请记住,它们的确是来自星星的礼物。

来源:新浪科技

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