宇宙中所有的黃金都來自恒星嗎?
2020年11月23日10:13

  11月23日消息,人類對黃金的迷戀有久遠的歷史,而當我們知道這種貴重金屬來自於恒星之後,對它的迷戀又加深了一層。

  在一個遙遠的星系,兩顆中子星相互環繞,似乎正在上演一場芭蕾舞,既是終極的毀滅,又是不可抗拒的新生。這兩個天體都是大質量恒星的遺留,很可能來自於一個早已成為超新星的雙星系統。它們的質量都令人難以置信,其中子擠壓得如此之緊密,以至於核心都變成了鑽石。可惜,這場舞蹈不可能永遠持續下去,兩顆中子星終將碰撞,釋放出難以想像的能量併發射出引力波,疾速穿過時空結構。

兩顆中子星在宇宙深處碰撞(想像圖)。除了產生引力波,這樣的事件還能產生許多重元素,包括金。
兩顆中子星在宇宙深處碰撞(想像圖)。除了產生引力波,這樣的事件還能產生許多重元素,包括金。

  13億年後的2017年,天文學家通過激光干涉引力波天文台(LIGO)探測到了這些時空漣漪。愛因斯坦曾預測,宇宙中應該充滿由大質量物體引力所導致的微弱漣漪,其來源有一些便是中子星合併事件。然而,在LIGO之前,從這類事件中尋找時空結構中的擾動是十分困難的。當探測到引力波的消息傳出後,全世界媒體都想知道中子星相撞時還會發生什麼。天文學家解釋稱,在恒星毀滅和引力波之外,這樣的事件還會在瞬間產生我們已知的所有重元素。在一些媒體看來,這一解釋的最關鍵信息是:黃金來自外太空。

  鍍金的歷史

  在大質量恒星劇烈毀滅過程中形成的眾多元素中,“金”應該是最能激發人類想像力的元素,這並不奇怪。

  從生物學的角度,生命所必需的元素如碳、氧、鉀和硫等,應該是最受歡迎的幾種元素,但我們與黃金有著古老的情感聯繫。幾千年前,古人可能在溪流中看到某個閃閃發光的物體,於是就撿了起來,人類與金子的故事由此開始。這種金屬看起來似乎很有趣,但由於質地太軟,所以不是很有用。考古學家在保加利亞發現了一顆6500年前的金珠,還在黑海發現了一枚近3000年前的金幣。英國最古老的黃金製品被發現時埋在巨石陣之下,其中部分陪葬品屬於一個來自歐洲的神秘人士。

埃及法老圖坦卡蒙的面具是地球上最著名的古文物之一。它主要由黃金製成,並飾以寶石,重達10.23公斤。
埃及法老圖坦卡蒙的面具是地球上最著名的古文物之一。它主要由黃金製成,並飾以寶石,重達10.23公斤。

  古埃及人在其首都底比斯以南的地方擁有巨大的金礦,使他們能夠將圖坦卡蒙的木乃伊用黃金包裹起來。其他古代文明很少擁有這樣的財富。當這具木乃伊被打開時,考古學家發現了兩把匕首。一把由隕鐵製成,另一把由純金製成。

  黃金被視為珍寶,儘管只能用於裝飾或交易,除此之外沒什麼用處。但黃金的稀缺性使它令人嚮往,不變的本質使它分外誘人:與銀會變黑、銅會變綠、鐵會生鏽不同,黃金永不改變。黃金似乎是不朽的,堪稱眾神給予人類的禮物。

這枚來自阿契美尼德王朝(波斯第一帝國)的金幣大約是在公元前420年鑄造的,用來紀念大流士二世。
這枚來自阿契美尼德王朝(波斯第一帝國)的金幣大約是在公元前420年鑄造的,用來紀念大流士二世。

  20世紀的科學才揭開了這個謎團。鐵、銀和銅會因氧化反應而生鏽或變色。氧原子總是渴望電子。鐵會把兩個或三個電子給氧,結果就會氧化(生鏽)。其他元素也會成為氧氣的受害者。但黃金不是,它是所有金屬中最不活潑的,因為它拒絕與氧共用電子。

  基本的事實

  與元素週期表上的所有重元素一樣,地球上並沒有多少黃金可供發現。如果把人類歷史上開採的所有黃金收集起來,變成一個立方體,那麼它的邊長只有約21.3米。這大約是183000噸黃金。聽起來很多,但熔化後只能填滿三個半奧運會游泳池。2018年,巴里克黃金公司(全球最大的金礦開採公司,總部位於加拿大多倫多)在內華達州的金礦加工了數百萬噸礦石,僅提取了400萬盎司(125噸)黃金。

1933年的聖高登斯雙鷹金幣是最稀有的美國硬幣之一。當時鑄造的44.5萬枚金幣中,大部分被熔成金條,現在只剩下13枚。
1933年的聖高登斯雙鷹金幣是最稀有的美國硬幣之一。當時鑄造的44.5萬枚金幣中,大部分被熔成金條,現在只剩下13枚。

  因為密度和重量較高,大部分黃金都下沉到了地球的核心。據澳州地質學家伯納德·伍德(Bernard Wood)估計,世界上99%的黃金就埋藏在我們腳下數千公里深處。他還估計,地核中蘊藏著1600萬億噸的黃金。伍德的計算顯示,如果所有這些黃金都被帶到地球表面,將會形成一層閃閃發亮、厚約40.6釐米的金屬層。與地球的總體積相比,這些黃金並沒有多少。實際上,地核中的黃金含量約為百萬分之一,而鉑的含量是金的6倍。可以說,黃金是非常稀有的。

“黃金道釘”(Golden Spike)最初由美國實業家利蘭·斯坦福釘入第一條橫貫大陸鐵路,於1869年在猶他州奧格登附近連接了聯合太平洋鐵路和中央太平洋鐵路。目前,這枚道釘在斯坦福大學的康托藝術中心展出。
“黃金道釘”(Golden Spike)最初由美國實業家利蘭·斯坦福釘入第一條橫貫大陸鐵路,於1869年在猶他州奧格登附近連接了聯合太平洋鐵路和中央太平洋鐵路。目前,這枚道釘在斯坦福大學的康托藝術中心展出。

  金色的太陽

  1859年的一個晚上,化學家羅伯特·本生(Robert Bunsen)和古斯塔夫·基爾霍夫(Gustav Kirchhoff)在德國曼海姆(距離他們工作的海德堡大學實驗室約16公里)工作時,看到一場大火在熊熊燃燒。他們將新改進的分光鏡推到窗口,並在火焰發出的明亮光芒中迅速檢測出了鋇和鍶元素。分光鏡是他們發明的一種可以將光分解為不同波長的設備,可用於識別化學元素。本生寫道,“同樣的分析模式肯定也適用於太陽和明亮恒星的大氣層。”19世紀下半葉,科學家利用這種強大的工具取得了大量突破性發現。

  在1868年8月18日的日全食期間,幾位天文學家使用分光鏡檢測到一種新的元素——太陽中的氦。後來發現,這是宇宙中第二豐富的元素。碳、氮、鐵和週期表上所有較重的元素——包括金——最終都被確認在太陽大氣中以氣態存在。

  在18世紀末和19世紀初,對岩石和礦物的收集演變為地質學。查爾斯·萊爾(Charles Lyell)、詹姆斯·赫頓(James Hutton)和偉大的化石收藏家瑪麗·安寧(Mary Anning,英國早期化石收集者與古生物學家,第一具魚龍骨架的發現者)等人清楚地證明,地球的年齡遠比許多當時神學家所認為的6000年要久遠得多。萊爾和赫頓認為,地球必定有幾百萬年甚至幾十億年的歷史。如果這是真的,那麼是什麼讓太陽和星星能維持如此長的時間呢?

  德國物理學家尤利烏斯·馮·邁爾(Julius Robert von Mayer)強烈支援隕星為太陽提供熱能的理論。他計算出,在缺乏外部能源的情況下,太陽只能照耀約5000年。他在1848年提出,數十億顆落在太陽上的隕石為太陽提供了燃料,從而使其發出巨大的熱量。據推測,這些物質還給太陽帶來了重元素。

在1878年7月29日的日全食期間,美國氣象局的氣象學家克利夫蘭·阿貝提出,日冕是許多為太陽提供能量的隕石。
在1878年7月29日的日全食期間,美國氣象局的氣象學家克利夫蘭·阿貝提出,日冕是許多為太陽提供能量的隕石。

  在1878年的日全食中,美國氣象局的第一位氣象學家克利夫蘭·阿貝(Cleveland Abbe)認為,在日全食中見到的日冕實際上是一群流星正在撞擊太陽。然而,科學家很快就證明了日冕由極為稀薄的氣體構成,並表明隕星無法作為太陽能的來源。

  最終,科學家計算出太陽含有將近2.5萬億噸黃金,足以填滿地球的海洋。儘管如此,這也只是每萬億個氫原子中有8個金原子——與太陽的質量相比微不足道。那麼,黃金是如何出現在太陽和地球上的呢?

  金色的科學

  千百年來,煉金術士們一直在努力將一種元素轉化為另一種元素。他們在尋找能把鉛和汞等賤金屬變成金子的“賢者之石”。甚至偉大的艾薩克·牛頓也對煉金術著迷。事實上,一些歷史學家稱他為“最後一位偉大的煉金術士”。然而,創造這些元素的大自然偉力顯然超出了這些早期實驗者的掌握。

金的光譜顯示了這種元素的獨特“指紋”,通過這些光譜學特徵便可以識別它的存在。
金的光譜顯示了這種元素的獨特“指紋”,通過這些光譜學特徵便可以識別它的存在。

  自愛因斯坦1905年發表狹義相對論以後,重元素的起源便開始引起人們的關注。正是在這項開創性的工作中,質能方程E=mc^2首次出現。一開始,這個方程對我們理解宇宙的重要性並不明顯,但如果將它應用於計算太陽巨大的能量輸出時,就會產生深遠的影響。它不僅解釋了為什麼太陽和其他恒星可以發光幾十億年,而且有助於揭示重於氫的元素究竟如何形成。

  當E=mc^2出現在腦海中時,大多數人會想到第一顆原子彈,以及原子分裂,即核裂變的過程。1920年,當時在英國劍橋卡文迪許實驗室工作的亞瑟·愛丁頓(Arthur Eddington)爵士認為,氫聚變成氦可能是太陽的動力來源。愛因斯坦著名的方程式表明,這個過程中會釋放出難以置信的能量。

質子-質子鏈反應是太陽核心中氫聚變為氦的鏈式反應。微小質量轉化為能量的過程可以由愛因斯坦的著名方程E=mc^2來描述。
質子-質子鏈反應是太陽核心中氫聚變為氦的鏈式反應。微小質量轉化為能量的過程可以由愛因斯坦的著名方程E=mc^2來描述。

  在愛丁頓等人著手探索核聚變將近20年後,德裔美國物理學家漢斯·貝特(Hans Bethe)描述了如今廣為人知的質子-質子鏈式反應。這是恒星內部將氫融合成氦的幾種核聚變反應中的一種。太陽核心是一大團氫原子“湯”,每個氫原子由一個質子和一個電子組成,它們不停地快速運動。大多數時候,電磁力會排斥任何碰撞。當你試著把兩塊磁鐵相似的磁極粘在一起時,就會感受到這種排斥。然而,當碰撞發生後,質子就會融合在一起。當4個質子最終融合時,氦就形成了,釋放能量並使太陽發光。

  太陽含有的氫還足夠維持這個聚變過程約50億年。最終,氦也會開始聚變,形成由碳、氮和氧(第8號元素)組成的最終產物。在更大質量的恒星中,更強的引力會產生更多的壓力和熱量,氧以外的元素也會聚變。不過,這個過程只能持續到鐵(第26號元素)在巨星(典型巨星的半徑為太陽的10倍至100倍)的核心形成,屆時核聚變將停止。最後,恒星的核心會坍縮,然後在超新星爆發中反彈。

1868年約瑟夫·諾曼·洛克耶(Joseph Norman Lockyer)在太陽大氣中發現氦的分光鏡。
1868年約瑟夫·諾曼·洛克耶(Joseph Norman Lockyer)在太陽大氣中發現氦的分光鏡。

  當恒星的外層被拋向太空時,會發生快(R-過程)、慢(S-過程)兩種形式的中子俘獲反應。由於中子不帶電荷,因此它們能比帶一個正電荷的質子更容易進入原子核。中子俘獲便是原子核與一個或多個中子撞擊並形成重核的核反應。在兩種情況下,自由中子穿透附近的原子核,被爆炸中釋放的元素“俘獲”。慢中子俘獲(之所以叫“慢”,是因為在俘獲其他中子之前,放射性物質就會衰變成其他元素)產生了大約一半比鐵重的元素。但元素週期表上還有許多重元素。要產生這些元素,就需要巨大的恒星在碰撞時進行快中子捕獲過程。

  在天文學家確定了2017年引力波的來源之後,馬克斯·普朗克天文學研究所的研究人員就在以接近30%光速向太空膨脹的“物質風暴”中探測到了鍶。包括該元素在內的許多元素都是由快中子俘獲反應形成的。在這些恒星的合併中,每秒鍾會有1022個自由中子穿過1立方釐米的空間。

  如此高密度的中子為現有元素快速捕獲自由中子創造了條件。鍶、釷、鈾,甚至金都能在一瞬間形成。然後,這些元素會進入太空深處。在宇宙近140億年的生命週期中,這種情況發生了很多次,足以播下星雲的種子,最終形成像太陽系這樣含有金元素——以及所有其他重元素——的恒星系統。

  黃金標準

  黃金在我們的生活中隨處可見。每台手機和電腦里都有這種元素。我們把黃金塗在太陽鏡和宇航員的護目鏡上。在電子產品和服裝中,也經常用到金線。國家之間用黃金來償還債務。我們用黃金製作珍貴的物品,從珠寶到宗教器物等。我們把黃金鑲嵌在牙齒上,甚至用它製成馬桶。醫生會給病人注射含有黃金的藥物,來幫助緩解類風濕關節炎。你甚至可以吃到鍍金的巧克力。

  卡爾·薩根曾說過一句名言:我們是由恒星物質構成的。事實上,我們周圍的世界也是如此。下次當你欣賞手上的金戒指或脖子上的金項鏈時,請記住,它們的確是來自星星的禮物。(任天)

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