jiadelimei1688 作者| 王善勤
古代中国和西方的炼金术士和化学家很早就尝试用廉价金属生产金银等贵金属，但都失败了。由于黄金和白银等金属非常稀有，它们长期以来被视为硬通货，比货币更有价值。
同时，随着科学技术的发展，人们开始研制“镧系元素”和“锕系元素”。镧系元素共有15种，由于储量较少，与钪、钇一起俗称“稀土”，是生产一些高精度科技产品必不可少的原料。锕系元素的铀和钚可用作核电站的核燃料。
多年来困扰人们的一个问题是金、银、铀、钚和稀土元素从何而来？为什么人这么少？科学家们花了几十年的时间慢慢解开这个谜团。答案是：这些稀有重元素大部分来自中子星碎片。
那么什么是中子星呢？他们的作品从哪里来？这些碎片是如何产生上述重金属的？为什么它们如此稀有？中子星碎片爆炸后会出现天文现象吗？接下来我们将回答这些问题。
中子物质和中子星
很多人认为中子星的概念很抽象。但实际上，如果从现实生活出发，也可以像“中子星”一样“创造”物质。
我们知道所有不带电的物质都是由原子组成的。原子由“原子核”和电子组成。原子核是质子或由质子和中子组成。质子带正电，中子不带电。就像行星绕太阳旋转一样，也有或多或少的电子绕着原子核中心旋转。
这种结构的特点是原子内部大部分空间是空的。事实上，原子核的体积大约只占原子体积的几百亿分之一，而电子的体积几乎为零，可以忽略不计。
照片：原子内部几乎是空的。照片中电子的尺寸被夸大了。实际上，电子的大小几乎为零（来源：Svdmolen/Jeanot）
当原子核外的电子被直接推入原子核时，原子之间的空间被显着压缩，从而减小了原子的尺寸并大大增加了其“密度”。类似于将软面包揉成小球的“压缩面包”。这种压缩导致电子与原子核中的质子结合形成中子，与最初存在的中子类型相同，整个物质中只留下中子。这种高度压缩的物质可以称为“中子物质”。
但即使是地球上最强大的实验室也无法通过迫使材料中的所有电子进入材料来制造致密中子材料。然而，宇宙中存在一种现象，将物质分解成中子。这种现象就是超新星。
一些大质量恒星已经进化得如此之高，以至于核心不再产生能量或向外的压力，因此无法抵抗恒星自身巨大的引力，恒星不可避免地向内收缩，导致核心塌陷，受到急剧而强烈的压缩。核心材料中的所有电子都被推入原子核内，成为中子材料。
继续下落后，物质与高密度中子物质表面碰撞并被反弹回来，借助中子物质发出的“中微子”，将反弹的物质扫走，形成超新星。由内部残留的中子物质形成的恒星是—— 中子星。
中子星的密度是正常物质的1000亿倍，半径只有10公里左右，但质量却约为太阳质量的1.4倍，甚至是太阳质量的两倍。
图：中子星与曼哈顿岛大小对比。
（来源：http://www.astronomy.ohio-state.edu/~pogge/Ast162/Unit3/extreme.html）
中子星内部的“中子物质”被高度压缩，密度比正常物质高100 万亿倍。这种“中子物质”大约有方糖大小，重量为100亿克，即1000亿公斤，即1亿吨，需要1000艘排水量10万吨的航母才能连接。从海上带来了一块方糖大小的中子物质。
碰撞中子星
中子星中的物质就像一个被紧紧压缩的弹簧，而这个“弹簧”可以通过中子星本身的强大引力而平静下来。正常情况下，不可能从中子星中挖出任何东西。然而，宇宙中时时刻刻都会发生不寻常的情况，比如中子星相互碰撞，或者黑洞撕裂中子星。
宇宙中有无数的双星系统，由两颗围绕共同中心旋转的恒星组成。如果两颗恒星都以超新星的形式爆炸，留下一颗中子星，而爆炸后两颗中子星尚未分离，它们就可以形成双中子星系统，并继续绕着一个共同的中心旋转。如果两颗恒星中的一颗爆炸成中子星，另一颗爆炸形成黑洞（或直接收缩成黑洞），它们就是中子星和黑洞双星系统，形成并继续绕着一个共同的中心旋转。
根据爱因斯坦的理论，这种旋转会辐射引力波并导致能量损失。由于能量损失，中子星与中子星（或黑洞）之间的距离不断减小。经过数亿甚至数十亿年，中子星与中子星（或黑洞）之间的距离最终趋近于零。中子星在强大的引力作用下发生了巨大的变形，改变了原来的状态。从圆形到椭圆形，有的被撕裂、破碎，过了一会儿又融合在一起。
示意图：围绕共同中心旋转的两颗中子星发出引力波，引力波被时空曲率反射并向外传播，导致中子星逐渐相互靠近。 （来源：NASA/戈达德太空飞行中心）
就中子星-中子星系统而言，碰撞会导致两颗中子星的主要部分合并，形成一个新天体——，该天体可能成为质量更大的中子星或黑洞。中子星的一小部分物质变成碎片并流出。就中子星-黑洞系统而言，由于碰撞，黑洞吞噬了大部分或全部中子星的物质，喷射出一些碎片或根本不喷射。
照片：两颗中子星合并后那一刻的艺术想象（图片来源： NASA/Dana Berry）
作为中子星的一部分，这些碎片被强大的引力束缚并保持在一起，但一旦它们离开母体，这些碎片就失去了强大的引力结合，就像推动弹簧的力一样，开始迅速膨胀。当突然移开时，弹簧立即反弹并恢复到原来的松弛状态。
两颗中子星质量合并后，飞走的中子星碎片质量大约只有太阳质量的1/10,000到1/100。中子星与黑洞合并后，喷射出的碎片的质量进一步变化，从零到太阳质量的十分之一。碎片质量的具体值取决于各种复杂的条件。
中星碎片和重元素
当中子星碎片向外飞出时，它们会迅速膨胀，就像一个充气垫，但膨胀的速度显然比充气垫快得多。随着中子星碎片的膨胀，许多中子变成质子，质子迅速与剩余的中子结合形成多种元素。
一般会有部分中子转化为质子，但碎片中的中子数仍然大于质子数，所以合成的元素一般含有的中子多于质子。这些元素被称为“富中子元素”。地球上有许多元素富含中子。例如，天然金有79 个质子和118 个中子，而大多数银有47 个质子和60 或62 个中子。大多数铀有92 个质子和143 或146 个中子。
20世纪70年代，有人提出中子星与中子星（或黑洞）合并后喷出的碎片可以合成大量重元素。经过多年的研究，科学家认为宇宙和地球上的重元素主要来源于这两类合并事件喷射出的碎片。
中子星碎片内部产生的重元素天然具有“中子数远大于质子数”的性质，或者换句话说，它们本来就是“富中子元素”。虽然超新星爆炸中合成了一些重元素，但很难合成更多的“富中子元素”，因为超新星爆炸产生的中子并不多于质子。因此，这些重金属大部分被认为来自中子星碎片，一小部分来自超新星爆炸，一小部分来自恒星内部的核反应。
这些富含中子的元素包括金、铂、银、铀、钚和稀土元素。
为什么重元素如此稀有？
为什么重元素与地球上的其他元素相比如此稀有？这个问题的线索可以在中子星合并的频率中找到。
银河系中每100年就会发生几次超新星爆炸。由于这些超新星中只有一部分是由大质量恒星爆炸产生的，因此产生的中子星数量只是超新星数量的一小部分。双星系统中只存在少量的中子星，能够引起碰撞的中子星事件就更少了。
虽然一颗大质量恒星形成并爆炸成超新星只需要几千万年，但两颗中子星合并则需要大约数亿甚至数十亿年。同时，中子星合并的概率甚至低于超新星爆炸的概率。综合考虑以上因素，中子星碰撞事件的发生率远低于超新星爆炸的发生率。
而且，每次中子星合并喷射出的重元素物质比每次超新星喷射出的物质要少得多。中子星合并事件会喷射出小于0.1 个太阳质量的中子星碎片，而超新星爆炸通常会喷射出一块物质。那些质量超过一太阳质量的物体可以达到五到六太阳质量。这进一步降低了重元素与普通元素的比率。
这些重元素中，金、银、铀、钚、稀土更为稀有，而每一次双中子星并合抛出的碎片中能合成的金量极少，有人认为只是几十块.有人认为地球的质量只有几百到十几，但这个值大约只有太阳质量的1/10,000。
在我们的太阳系形成之前，附近的一颗超新星将几种铷以下的元素和少量的重元素喷射到我们太阳系所在的分子云中。重元素是由中子星合并或中子星合并产生的碎片合成的。中子星和黑洞进入了这个分子云，其中一些最终组成了地球。当这个凝结过程结束时，地球上的重元素将比正常元素少得多。
由于金、铀、稀土等重金属质量较重，大部分沉入地心而无法开采，尤其是金、稀土在地球上很少开采。然而，一些人认为，数亿年前，一颗富含黄金的小行星撞击了地球，将炽热的黄金倾泻到各处，并在地表形成了可以开采的黄金。小行星中发现的黄金主要是由中子星碎片自然产生的。然而，最近有人提出，大部分地表金来自地幔深处的金。但无论如何，黄金和稀土等重金属无论在地球上还是在太空中都相对稀有。
千新星：中子星碎片也很危险
中子星碰撞的目的只是产生重金属吗？ 1998年，普林斯顿大学博士生、后来担任北京大学教授的李立新与当时的导师博赫丹·帕辛斯基（Bohdan Pacinsky，1940-2007）合作研究中子星，并发表了一篇讨论恒星的论文。合并后喷出的碎片会引起可观察到的现象吗？
他们撰写本文的最初动机是回答普林斯顿大学宇宙学家斯帕格尔提出的问题。 “中子星合并会产生哪些可观察到的后果？”
在这篇论文中，李立新和帕钦斯基研究了中子星碎片中的放射性元素对碎片本身的加热效应，并计算了这种加热效应引起的亮度变化。他们发现中子星碎片会产生短暂而明亮的可见光和紫外光。超新星通常需要10 多天才能达到最亮，而中子星碎片只需1 到2 天即可达到最亮。
此后，多个研究小组对这一现象进行了更仔细的研究，并于2014 年得出了一致的结论。
中子星碎片内部会产生大量放射性元素，包括铀、钚和锕系重元素的放射性同位素。
这些放射性元素经历裂变和衰变等过程，释放大量能量并加热碎片本身。
该碎片富含镧系和锕系元素，因此加热后发出的光主要集中在红色和红外波段，而紫外波段和其他色波段的光则相对较弱。
这种碎片被称为“千新星”，因为它比新星亮约1000倍，也被称为“红色千新星”。
从系统内部形成的“圆盘”中吹出“风”，风中的质子和中子还合成放射性物质，这些物质被称为“蓝色千新星”，主要发出蓝光。
红色和蓝色千新星的辐射是混合的。
图：两颗中子星合并后产生的中子星碎片就像建筑物爆炸后散发出的尘埃；其丰富的放射性元素加热了碎片，使其发出微红的光芒。（图片来源： NASA 戈达德太空飞行中心和CI 研究所）
新星的亮度可以达到太阳的5万到10万倍。千新星的亮度大约是新星的1,000 倍，比太阳的亮度大约是50 到1 亿倍。当然，这只是一个近似值，实际上，有的千新星会变得更亮，成为“万新星”，亮度可以达到太阳的数亿倍，甚至更暗。超新星。然而，它仍然远低于超新星的平均亮度。
中子星碎片真的会产生重元素和千新星吗？
自从李立新和帕辛斯基的重要开创性工作以来，天文学家一直在尝试发现千新星，但除了2013年的候选者之外，还没有发现千新星存在确实的证据。创建的。 “重元素”无法完全确认。
2017年8月17日，由加州理工学院和麻省理工学院牵头的激光干涉引力波天文台（LIGO）探测到了引力波，分析表明它们是由地球和马萨诸塞州合并引起的。理工学院。结果是引力波。两颗中子星。这两颗中子星围绕一个共同中心运行至少数亿年，逐渐靠近并最终合并。 LIGO仅对几百赫兹频率范围内的引力波敏感，因此它只能探测到距离足够近且以足够速度运行的物体发出的引力波。
照片：LIGO 由两个相距数公里的相同仪器组成，照片显示的是位于路易斯安那州利文斯顿的探测器。探测器由两个相互正交的真空管组成，激光从激光发射器发射出来后，光线被分成两束，分别进入两个真空管，被反复反射，最后到达探测器。向上会聚形成干涉条纹。当引力波到来时，两个管子的光路会发生变化，从而改变探测器探测到的干涉图样，这使我们能够推断出引力波的本质。（来源：加州理工学院/麻省理工学院/LIGO实验室）
更让一些天文学家兴奋的是，这股伴随着引力波的光爆发是在检测到引力波11小时后，卡内基研究所的1米斯沃普望远镜才检测到的。该光爆发源的第一批重要“光谱”。 —— 将一束星光分解成高精度的“彩虹带”，即星光的光谱。
此后，世界各地的多台望远镜观测了这次光爆发事件的亮度和光谱变化，持续了大约30天，直到它完全消失。持续的观测和分析证明，这种光爆发现象确实是一些天文学家近20年来一直在寻找的千新星。这是第一个被确认的千新星。
照片：白色箭头标记的光点是第一颗已知千新星被发现时的图像（来源：1M2H/Swope 团队）。
千新星研究还证实，它含有大量的镧系和锕系元素，还将生产金、银、铀、稀土和其他金属。因此，这一重要的观测和随后的分析最终证明了中子星碰撞产生的碎片确实合成了大量的重元素，千新星确实是中子星碰撞产生的。
在2017年探测到双中子星合并产生的引力波后，LIGO于2019年8月14日宣布，它很有可能（超过99%的可能性）是由黑洞和中子星合并产生的。）已经探测到引力波。然而，随后的观测并没有发现任何与黑洞和中子星合并有关的千新星。为什么这个？
首先，如上所述，存在黑洞完全吞噬中子星的情况，中子星碎片无法逃逸，因此不会发生相关的千新星现象。其次，引力波的空间位置不够精确，而且感兴趣的天空区域中有太多的星系，因此确定这次合并中爆发的是哪些星系，需要对它们进行一一观测。对于相对遥远的合并事件，这样的搜索速度相对较慢，即使黑洞和中子星合并产生了千新星，也无法及时观测到。
人类看到的第一颗千新星是由非常邻近的星系中的两颗中子星合并引起的爆炸，所以当时很快就被发现了。我必须说这是一个巨大的祝福。但最重要的是，人类对未来几年探索由黑洞和中子星合并产生的千新星寄予厚望。
千新星是一种罕见的天文爆炸，首先通过理论计算，然后通过观测证实。甚至在此之前，新星和超新星等爆炸现象就首次被观测到并得到了理论上的解释。除了解决重元素起源的细节之外，对千新星的详细研究将使天文学家和物理学家能够对中子星的物理性质进行详细的研究，从而增加中子星的密度，可以探索物质的性质当它非常高时。千新星本身是重要的天文现象，也是当前和未来观测研究的热门目标。事实上，它与另一个重要的天文现象：伽马射线爆发密切相关。
顺便请解决另一个问题
2017年8月17日观测到的引力波现象不仅让天文学家追寻千新星线索，还解决了另一个重要问题：一些伽马射线暴的起源。伽马射线暴是宇宙中存在的短暂伽马射线暴。
20 世纪80 年代末，一些人推测伽马射线暴是中子星（或黑洞）合并的结果。后来，具体模型表明，中子星与中子星（或黑洞）合并后，中子星的一些碎片后退形成圆盘，与中心天体形成一个系统，并高速运动，被认为发生了这种情况。喷流，并在喷流内生成星系。
这是伽玛暴的紧凑型恒星并合模型。小恒星合并模型和随后提出的大质量恒星爆炸模型成为20世纪90年代伽马射线爆发的主流模型。
2003年，天文学家首次确定一些伽马射线爆发确实来自爆炸的大质量恒星，并且本质上是一种特殊类型的超新星爆炸的副产品。然而，大质量恒星的模型只能解释持续时间超过2 秒的伽马射线暴。对于持续时间小于约2秒的伽马射线爆发，小恒星合并模型仍然被认为是可能的，但尚未发现直接证据。
2017 年8 月17 日，LIGO 检测到两颗中子星合并产生的引力波两秒后，NASA 的费米伽马射线卫星在同一空域检测到伽马射线爆发。后来的分析表明，这次伽马射线爆发是一致的。这一切都始于同一对中子星的合并。这个结果直接证明了双中子星的合并确实引起了伽马爆发。从此，伽马射线暴的致密恒星合并模型被正式证实。
照片：两颗中子星合并后抛出的碎片的艺术想象。这张照片还显示了周围时空的扭曲以及两极喷流的产生。
（来源：NSF/LIGO/索诺玛州立大学/A. Simonnet - https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20171016d）
伽马射线暴通常发生在喷流中，并且喷流具有高度方向性。一旦喷射流形成，它撞击地球的机会只有约1%。这次，一股伴随着引力波和千新星的喷流实际上是直接射向地球的，而且喷流产生的伽马爆发可以被地球上的人造卫星探测到，这又是一件非常幸运的事件。
由于这次爆炸距离很近，对应的千新星很容易被搜索到，这种事件发生的概率就相当于一个没打过篮球的孩子在篮球场上背部撞到篮筐下，你可以认为是。我把球扔回远处的另一个篮子里，扔进了篮子里。
统一的图景：宇宙中几乎所有元素的起源
从上世纪20年代开始，阿瑟·斯坦利·爱丁顿（Arthur Stanley Eddington，1882-1944）首先推测恒星内部的核聚变会产生一些元素，并于2017年LIGO和其他仪器直到检测到中子合并产生的引力波和伽马爆发千新星证实中子星合并产生的碎片会产生重元素，而人类距离弄清楚化学元素的起源大约还有100年的时间，花了好几年的时间。
这个谜题由以下部分组成：
大爆炸后几分钟内，现代宇宙中所有的氢、大部分氦和微量的锂就被创造出来了。
当低质量恒星演化到最后阶段时，它会喷射出含有一些较轻元素的物质，从而暴露出其中心的白矮星。
位于双星系统中的白矮星从其伴星中“窃取”足够的物质，并将积累的物质释放出来，形成“新星”爆炸，而爆炸过程中合成的锂构成了宇宙中大部分的锂。做。
大质量恒星内部的核聚变形成中等质量元素，如氦、铍、硼、碳、氧、硅、硫、磷和铁，以及少量比铁重的元素。
内部无法继续进行核聚变反应的大质量恒星，或者积累了太多物质的白矮星，会以超新星的形式爆炸，释放出许多此前合成的元素，同时摧毁大部分中等质量元素.并合成高质量元素。一些重元素（加上超新星爆炸。粒子然后被加速成宇宙射线，可能会与一些锂碰撞。活跃的星系核也会产生宇宙射线，与锂碰撞。）。
双星系统超新星爆炸留下的中子星和中子星（或黑洞）。它们合并后，喷射出的中子星碎片合成了大部分的金、银、铀、稀土元素等重元素。碎片本身引起千新星爆炸的现象。
通过新星、超新星和千新星爆炸，锂和大多数比锂重的元素被大量喷射到太空中，进入周围以氢分子为主的分子云，并富含各种金属和非金属。
这些分子云最终形成恒星-行星-小行星系统，在我们头顶上创造出明亮的星空。除了大爆炸后核合成产生的氢和一些氦之外，行星和小行星物质中的几乎所有其他元素都源自新星、超新星和千新星物质。其中，大多数重元素，如金、银、稀土和核燃料，都来自中子星（或黑洞）合并时产生的碎片（千新星）。
照片：哈勃太空望远镜拍摄的著名作品《创生之柱》 新的恒星-行星-小行星系统正在这些富含各种金属材料的巨型分子云中形成。 （来源：NASA/ESA、哈勃太空望远镜）
因此，大爆炸、新星爆炸、超新星爆炸、千新星爆炸所散发出的各种“星尘”几乎构成了宇宙中的一切，包括地球、我们、我们所能看到的一切，太阳、月亮和星星.你可以考虑一下。它构成了元素周期表中的非人工元素，当然也赋予了我们各种耀眼的“金色”和“蓝色”光芒。换句话说，我们都只是“星尘”。
照片：美国宇航局投资近100 亿美元建造的詹姆斯·韦伯太空望远镜直径20 英尺的主镜上镀有厚度仅为几微米的黄金。照片显示了这台连接望远镜的多个镜子之一。虽然这种黄金的价格相对于总成本来说很小，但它在反射和收集尽可能多的微弱光线方面发挥着重要作用。未来，这台望远镜还将为中子星合并后千新星发射的观测做出重要贡献，以换取这层金层。 （图片来源：NASA/德鲁·诺埃尔）
文章作者
王善勤于2018年获得南京大学天文学博士学位，并于2016年至2018年访问加州大学伯克利分校天文系。主要研究超新星、千新星等爆炸现象，在ApJ和MNRAS发表科学论文15篇。在业余时间，我还研究天文学和物理学史。
本文经微信公众号“空相学术”授权转载。
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