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在民間傳說和歷史中，有關(guān)地球上的黃金到底來自何處以及如何能夠獲得更多黃金的問題，已經(jīng)產(chǎn)生許多荒誕無稽的解釋。印加人認(rèn)為，黃金是天上掉下來的，是太陽神的眼淚和汗水。亞里士多德（Aristotle）認(rèn)為，黃金是硬化的水，是太陽射線穿透地下改造而成。艾薩克·牛頓（Isaac Newton）甚至曾抄下某個(gè)哲學(xué)家“點(diǎn)石成金”的配方，也有人認(rèn)為黃金是德國民間傳說中的侏儒怪（Rumpelstiltskin）用稻草變的。
現(xiàn)代天體物理學(xué)家則有他們自己的解釋，即“后增薄層（late veneer）”假說。這種理論認(rèn)為，大約40億年前，地核形成并穩(wěn)定后，隕石頻繁撞擊地球，使約占現(xiàn)在地球質(zhì)量0.5%至1%的球粒隕石物質(zhì)加入地幔中，造成地幔增生，進(jìn)而形成現(xiàn)在地幔中鉑族元素（包括黃金）。但有關(guān)“宇宙中黃金如何形成”這個(gè)更基本的問題，依然引發(fā)激烈爭論。
數(shù)十年來，最令人信服的說法是超新星爆炸產(chǎn)生了令人垂涎的貴金屬，以及元素周期表底部多種重元素。但是隨著超新星計(jì)算機(jī)模型的改進(jìn)，研究人員發(fā)現(xiàn)，這些超新星爆炸事件就像歷史上的煉金術(shù)師那樣，只是將黃金提煉出來，依然沒有解決黃金起源的問題。或許還有其他宇宙事件需要研究，它們或許才是黃金誕生的真正來源。
過去幾年間，一場相關(guān)辯論爆發(fā)了。許多天文學(xué)家認(rèn)為，兩顆中子星融合可能是宇宙中重元素（包括黃金）的誕生之源。其他人甚至認(rèn)為，如果普通的超新星爆炸無法做到，更怪異的理論或許能夠給出解釋。為了解決這個(gè)爭端，天體物理學(xué)家們正在到處尋找線索，從煉金術(shù)的計(jì)算機(jī)模擬到伽馬射線望遠(yuǎn)鏡探測深海錳殼等。爭奪首先觀察到“宇宙造幣廠”黃金流水線的競賽已經(jīng)展開。
1957年，物理學(xué)家瑪格麗特·博比奇（Margaret Burbidge）、杰弗里·博比奇（Geoffrey Burbidge）、威廉·富勒（William Fowler）以及弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）提出一套理論，闡述恒星誕生和死亡促使化學(xué)元素周期表上所有元素產(chǎn)生的方式。這意味著，人類（至少構(gòu)成我們身體的元素）曾是星塵，也包含黃金。美國麻省理工學(xué)院天文學(xué)家安娜·弗雷貝爾（Anna Frebel）說：“這個(gè)問題本身相當(dāng)古老，現(xiàn)在更是需要破解星塵的秘密?！?/p>
宇宙大爆炸留下了氫、氦以及鋰等元素，恒星隨后將它們逐漸融合成更重的元素。但是這個(gè)過程在鐵形成后停止，因?yàn)殍F已經(jīng)是最穩(wěn)定的元素。比鐵更大的核帶有正電，因此很難繼續(xù)融合，而且融合也不再返還你更多能量。為了讓重元素變得更可靠，你可以用沒有電荷的中子轟擊鐵核。新的中子經(jīng)常促使鐵核不穩(wěn)定。在這種情況下，中子會(huì)衰變?yōu)橘|(zhì)子，彈出電子和反中微子，而凈增加的質(zhì)子會(huì)促使新的重元素誕生。
當(dāng)額外中子被以比衰變慢得多的速度投入原子核中時(shí)，這個(gè)過程被稱為“慢中子俘獲（slow neutron capture）”，又被稱為S進(jìn)程，它會(huì)產(chǎn)生鍶、鋇以及鉛等輕元素。但是當(dāng)中子比衰變更快的速度進(jìn)入原子核中時(shí)，就是所謂的“快中子俘獲（rapid neutron capture）”，也稱為R進(jìn)程。這個(gè)過程會(huì)加強(qiáng)原子核，從而形成重元素，包括鈾和黃金。
為了找到R進(jìn)程元素，博比奇夫婦與他們的同事認(rèn)為，你需要幾件東西。首先，你必須擁有相對較純、不含雜質(zhì)的中子源。其次，你需要重“種子”核（比如鐵），以便俘獲那些中子。最后，你需要將它們在炙熱、稠密的環(huán)境中融合。你希望這一切都在大爆炸過程中發(fā)生，并將爆炸的產(chǎn)物散落在太空中。
對于許多天文學(xué)家來說，符合這些要求的目標(biāo)只有特定的對象：超新星。當(dāng)巨大恒星的核心融入更多重元素形成鐵后，超新星就會(huì)爆發(fā)。隨后融合會(huì)停止，恒星大氣層就會(huì)崩潰。相當(dāng)于太陽的質(zhì)量塌陷成直徑僅有12公里的球體。接著，當(dāng)核心達(dá)到核物質(zhì)的密度時(shí)，它就會(huì)變得更牢固。能量反彈向外，從數(shù)十億光年之外就可看到的超新星爆炸會(huì)撕裂恒星。在恒星塌縮時(shí)，原子核中的質(zhì)子和電子被迫融合起來，形成中子，并將核心變成新生的中子星。它含鐵非常豐富，熱量充足，發(fā)光的熔巖不斷擴(kuò)展向太空中，并噴發(fā)出不同的物質(zhì)。
到20世紀(jì)90年代，特定的圖像已經(jīng)開始出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)模型中。超高質(zhì)量的恒星核崩潰后半秒，會(huì)持續(xù)涌出中子流，持續(xù)時(shí)間高達(dá)1分鐘。有些風(fēng)會(huì)吹走鐵核成為“種子”，并伴隨著大量中子。德國馬克西-普朗克天體物理研究所的托馬斯·詹卡（Thomas Janka）說：“那就是希望。我想說的是，它們會(huì)在20年左右形成R進(jìn)程元素?！泵绹又荽髮W(xué)圣克魯茲分校天體物理學(xué)家恩里克·瑞茲（Enrico Ramirez-Ruiz）表示：“如果你打開教科書，它會(huì)告訴你R進(jìn)程元素是超新星爆炸形成的。”
但是隨著超新星模型變得越來越復(fù)雜，情況卻變得更糟，而非更好。在中微子驅(qū)動(dòng)的風(fēng)中，溫度似乎還不夠高。這種風(fēng)的速度可能也太慢，讓種子核形成的如此之大，以至于無法找到足夠的中子建立重元素。中微子也可將中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子，這意味著可能沒有許多中子參加這個(gè)進(jìn)程。
這使得理論學(xué)家們重新回到超新星模型的最強(qiáng)觀點(diǎn)上，即超新星形成中子星，這似乎是必不可少的過程。斯德哥爾摩大學(xué)的史蒂芬·羅斯沃格（Stephan Rosswog）表示：“對于這種核的合成來說，簡直棒極了！最初宇宙中任何地方可能都沒有大量中子，但是中子星有很強(qiáng)的引力場，問題是你如何才能將中子星變成噴射源？”
一種方法就是利用其誕生時(shí)同樣的爆炸砸開中子星，但這種方法似乎沒有效果。直到1974年，射電天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)首個(gè)雙中子星系統(tǒng)。它們互相圍繞對方旋轉(zhuǎn)，且在不斷失去能量，它們終有一天會(huì)發(fā)生碰撞。同樣是在這一年，天體物理學(xué)家詹姆斯·拉蒂默（James Lattimer）與大衛(wèi)·施拉姆（David Schramm）制作出模型，假設(shè)這種情況發(fā)生時(shí)的場景。由于當(dāng)時(shí)的計(jì)算過于復(fù)雜，他們沒有研究兩顆中子星碰撞的場面，而是模擬了中子星和黑洞融合。
盡管超新星爆炸可以短暫地照亮整個(gè)星系，但中子星卻很難看到。1054年，許多不同國家都觀察到超新星爆炸產(chǎn)生的螃蟹星云。而直到1968年，中子星留下的痕跡才被觀察到。兩顆中子星融合可能依然很難被發(fā)現(xiàn)和理解。拉蒂默和施拉姆表示，盡管沒人看到過那樣的場景，但這種奇異事件或許是R進(jìn)程元素產(chǎn)生的源頭。
在互相旋轉(zhuǎn)的最后幾圈，兩顆中子星接近形成更大的中子星或黑洞，它們受到龐大引力潮的沖擊，這種碰撞會(huì)產(chǎn)生大量材料。哥倫比亞大學(xué)理論天體物理學(xué)家布萊恩·梅茨格（Brian Metzger）說：“這有點(diǎn)兒像擠牙膏，牙膏從口端飛出來?！泵款w中子星的后面都拖著長長的尾巴，每個(gè)質(zhì)子可能有10個(gè)中子相隨，它們會(huì)加熱到數(shù)十億攝氏度。重核大約在1秒內(nèi)形成，因?yàn)樗鼈冇腥绱硕囝~外的中子，因此不夠穩(wěn)定。它們會(huì)發(fā)光，最后衰變?yōu)辄S金和鉑金。至少，這個(gè)過程在模擬中可以再現(xiàn)。
中子星融合和超新星爆炸都可以產(chǎn)生R進(jìn)程元素。但是這兩大天體事件會(huì)產(chǎn)生多少黃金存在很大差異。超新星爆炸可以產(chǎn)生相當(dāng)于月球體積的黃金，而中子星融合則可產(chǎn)生類似木星體積的黃金，后者比前者多數(shù)千倍，但是并不常見。這讓天文學(xué)家們將搜尋R進(jìn)程元素作為追蹤貴金屬起源的方法之一。美國加州大學(xué)圣克魯茲分校天體物理學(xué)家瑞茲說：“可以將R進(jìn)程元素視為巧克力。宇宙中含量豐富、由占主導(dǎo)地位的超新星爆炸產(chǎn)生的R進(jìn)程元素就像涂有薄薄一層巧克力的餅干，而中子星融合則像巧克力芯餅干，所有巧克力都是濃縮的。”
評估R進(jìn)程事件分布和頻率的一種方法，就是尋找它們在地球上的副產(chǎn)物。超新星照亮銀河系不久后，它們產(chǎn)生的核可以凝聚到星際塵埃顆粒上，穿過太陽和地球磁場落在地球上，并在深海中保存下來?！蹲匀弧冯s志2016年刊文稱，深海地殼中發(fā)現(xiàn)的放射性鐵-60與過去1000萬年地球附近的超新星爆炸有關(guān)。然而，這些超新星似乎與R進(jìn)程元素并不相符。當(dāng)研究人員研究深海地殼中的钚224（可隨著時(shí)間推移而衰變的不穩(wěn)定R進(jìn)程產(chǎn)物）樣本時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)其數(shù)量很少。梅茨格說：“無論在哪里產(chǎn)生的這些重元素，在我們銀河系都不常見?！?/p>
并非所有人都認(rèn)同這個(gè)結(jié)論。由慕尼黑理工大學(xué)肖恩·畢索普（Shawn Bishop）帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，希望繼續(xù)在地球上找到附近超新星爆炸后傳來的放射性钚。目前，這個(gè)團(tuán)隊(duì)正在含有微化石的沉積物中尋找R進(jìn)程元素存在的線索。微化石就是細(xì)菌遺骸，它們可從環(huán)境中提取金屬并形成磁性晶體。
天文學(xué)家們也在更遠(yuǎn)的宇宙中尋找“巧克力芯餅干”存在的證據(jù)。R進(jìn)程元素銪有著強(qiáng)大的光譜線，允許天文學(xué)家在恒星大氣層中找到它。在銀河系光暈中發(fā)現(xiàn)的古老恒星中，觀察R進(jìn)程信號不太容易。瑞茲說：“我們可以找到兩顆含有相似鐵元素的恒星，但它們的銪含量卻存在數(shù)量級的差異。有鑒于此，宇宙中更有可能看到巧克力芯而非巧克力涂層?！?/p>
天文學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)更明確的例證。許多矮星星系在穩(wěn)定前只會(huì)經(jīng)歷一次短暫爆發(fā)，這只給它們留下發(fā)生R進(jìn)程事件更狹窄的窗口。直到2016年，沒有任何矮星星系的恒星似乎富含R進(jìn)程元素。然而麻省理工學(xué)院天文學(xué)家弗雷貝爾的學(xué)生亞力克斯（Alex Ji）卻在名為Reticulum II的矮星星系中觀察到這樣的恒星。弗雷貝爾回憶稱：“亞力克斯在凌晨2點(diǎn)給我打電話，稱光譜儀有點(diǎn)兒問題，一顆恒星似乎出現(xiàn)更強(qiáng)的銪線。當(dāng)時(shí)我戲稱：‘亞力克斯，或許你發(fā)現(xiàn)了R進(jìn)程星系?！睂?shí)際上，亞力克斯的確有了發(fā)現(xiàn)。Reticulum II有7顆恒星上富含R進(jìn)程元素，它們可能都是在罕見的單一事件中產(chǎn)生的。
對于中子星融合模型的支持者來說，所有這些都是有利的證據(jù)。中子星融合事件十分罕見，與恒星碰撞和超新星爆炸等單一事件不同，它們要求兩顆中子星形成二元軌道，并在數(shù)億年后融合。但是批評人士指出，這種情況過于罕見。在我們的銀河中，中子星融合可能每隔1億年才發(fā)生一次，當(dāng)然也有人稱其頻率為1萬年1次。洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室天體物理學(xué)家克里斯多弗·弗萊爾（Christopher Fryer）說：“這令我感到震驚，那些用中子星融合解釋R進(jìn)程的人，顯然采用了最高頻率。”
當(dāng)弗萊爾及其同事使用有關(guān)中子星融合更高頻率的猜測，以及其能夠產(chǎn)生多少R進(jìn)程物質(zhì)時(shí)，它們發(fā)現(xiàn)中子星融合只能解釋宇宙中觀察到的1%R進(jìn)程元素誕生。如果真實(shí)率低于最低點(diǎn)，它們的貢獻(xiàn)還要再減少100倍。弗萊爾說：“越來越多的人開始支持‘R進(jìn)程元素還有其他源頭’的猜測?！?/p>
在這個(gè)過程中，超新星爆炸理論再次受到關(guān)注。如果超新星1%核塌陷不同于標(biāo)準(zhǔn)模擬預(yù)測，它們也可能在“巧克力芯”模式中產(chǎn)生相當(dāng)多的R進(jìn)程元素。英國基爾大學(xué)天體物理學(xué)家西村伸也（Nobuya Nishimura）認(rèn)為，觀察到超新星爆炸的一種方法是，如果恒星發(fā)生大爆炸，會(huì)噴射出磁動(dòng)力射流而非中微子。這將創(chuàng)造富含中子物質(zhì)的快速爆炸，允許種子核成長為至少某些R進(jìn)程元素。弗萊爾說：“你無須舉辦茶話會(huì)，它可能只停留100毫秒?！?/p>
許多天文學(xué)家認(rèn)為，這個(gè)答案最終會(huì)成為某種妥協(xié)，這種轉(zhuǎn)變可能已經(jīng)發(fā)生。弗雷貝爾說：“R進(jìn)程現(xiàn)在不再是真的R進(jìn)程了?！被蛟S，它可以被分為兩部分，不夠牢固的R進(jìn)程元素可能來自超新星爆炸，而重元素則來自中子星碰撞。但依然有“黑馬”潛伏著，即中子星融合和黑洞。雙中子星依然可能像以前那樣噴出物質(zhì)，但這些事件發(fā)生的頻率過于模糊。詹卡說：“或許它們才是產(chǎn)生R進(jìn)程元素的主導(dǎo)力量，只是我們不知道。我們還需要更多數(shù)據(jù)。”
這樣的數(shù)據(jù)正在出現(xiàn)。中子星融合的最后幾圈軌道或中子星與黑洞融合會(huì)對時(shí)空產(chǎn)生巨大影響，引力波會(huì)噴薄而出。激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）已經(jīng)成功“聽到”黑洞融合漸強(qiáng)的聲音，我們正接近一個(gè)靈敏度，應(yīng)該可以開始抓取遙遠(yuǎn)星系中子星融合的信息。時(shí)間越長，這些事件似乎發(fā)生的越少。當(dāng)LIGO達(dá)到全設(shè)計(jì)靈敏度時(shí)，可能意味著中子星融合模型就會(huì)被淘汰。阿姆斯特丹大學(xué)天體物理學(xué)家塞爾瑪·明克（Selma de Mink）說：“如果他們還沒有發(fā)現(xiàn)任何東西，瑞茲和梅茨格等人的理論將再次成為焦點(diǎn)?！?/p>
盡管如此，科學(xué)家們的夢想是超越R進(jìn)程事件的猜測，看到真正的行動(dòng)，2個(gè)團(tuán)隊(duì)都已經(jīng)在這樣做。2013年，Swift衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)短伽馬射線爆發(fā)，這種事件也可歸因于中子星碰撞。其他天文望遠(yuǎn)鏡則在觀察后果。在模擬中，名為kilonova的觀察信號可跟蹤中子星融合事件。放射性核通過R進(jìn)程傳播和發(fā)光，促使整個(gè)星系在最終暗淡下去1周前亮度大增。這些元素都不透明，只有紅光可以穿出。2013年的事件符合兩項(xiàng)預(yù)測，但迄今為止難以完全解釋清楚。梅茨格說：“盡管它不引人注目，但充滿了暗示。”
許多發(fā)現(xiàn)這起事件的天文學(xué)家現(xiàn)在都已經(jīng)加入相關(guān)團(tuán)隊(duì)，希望找到更近、更確切的kilonova信號。這意味著需要迅速捕捉LIGO發(fā)現(xiàn)的中子星融合信號，并利用傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡迅速在空中找到信號源，或利用即將發(fā)射的詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡測量光譜。為此，我們可能看到新生的R進(jìn)程元素云，或從它們?nèi)毕型茢喑瞿承〇|西。伽馬射線爆發(fā)已經(jīng)對我們進(jìn)行了良好訓(xùn)練，這絕對像一場比賽，就看你的反應(yīng)到底有多快?。ㄐ⌒。?/p>
