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这些宇宙怪咖,撞出了金银、稀土、核燃料与绚丽的千新星

撰文 | 王善钦

来源:蔻享学术

长期以来,古代的中国与西方都有炼金者或化学家试图用便宜的金属烧制出金与银这样的贵金属,但都归于失败。金银之类的金属实在太稀少了,以至于它们长期以来被作为硬通货,比货币更受重视。另一方面,随着科技的发展,人们开始开发“镧系元素”与“锕系元素”。镧系元素共15种,存量稀缺,因此与钪、钇一起被俗称为“稀土”,它们是制造一些高精尖科技产品不可缺少的原料。锕系元素中的铀与钚可以用来作为核电站的核燃料。

一个长期困扰人们的问题是:金、银、铀、钚与稀土元素从哪里来?它们为什么这么少?科学家用几十年的时间,逐渐揭开了这个谜团。现在的答案是:这些稀有的重元素大部分来自中子星的碎片。

那么,中子星是什么?它们的碎片从何而来?这些碎片如何产生上面说的那些重金属?它们为何这么稀有?中子星的碎片迸发出来后,会产生什么天文现象吗?这些都是我们接下来要回答的问题。

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中子物质与中子星

很多人觉得中子星这个概念很抽象。但实际上,如果我们从现实生活出发,也可以“制造”出“中子星”那样的物质。

我们知道,所有不带电的物质都由原子构成。原子由 “原子核”与电子构成。原子核要么是一个质子,要么由质子与中子构成。质子带正电,中子不带电。原子核外面有或多或少的电子在围绕着中心旋转,就像行星绕着太阳旋转。

这样的结构有一个特点:原子内部的大部分区域是空的。事实上,原子核的体积,只占据原子体积的大约几百万亿分之一,而电子的体积几乎为零,可以忽略。

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图:原子内部大部分是空的,图中电子大小被夸大了,其实电子的大小几乎为零(来源:Svdmolen/Jeanot)

假如把原子核外面的电子直接压入原子核之中,原子中间的大量空间就会被挤出,原子的尺寸大大缩小,“密度”大大增大。就如我们把松软的面包捏成一小团“压缩面包”。这样的压缩,还会让电子与原子核中的质子结合成中子,与原来存在的中子成为同类,整块物质里面就只有中子了。我们可以把这样高度压缩的物质称为“中子物质”。

但是,即使是地球上最强的实验室,都无法将物质里的电子都压入物质,制造出高度致密的中子物质。不过,宇宙中却有一种现象,可以将物质压成中子物质。这个现象就是:超新星。

有些大质量恒星演化到晚期,中心不再产生能量与向外的压力,因此无法抵抗恒星自身巨大的引力,星体于是不可避免地向内收缩,将中心的那团核心急剧压缩,强烈的压缩,将核心物质中的电子全部压入原子核内部,成为中子物质。

物质继续下落之后,砸到致密的中子物质表面上,被反弹回去,然后中子物质释放出的“中微子”助力,将被反弹的物质冲刷出去,于是形成了超新星。里面遗留下来的中子物质构成的星体,就是——中子星。

中子星比普通物质密1百万亿倍,虽然它的半径只有大约10千米,但却比太阳还“重”一些,质量大约是1.4个太阳的质量,甚至可以达到2个太阳质量。

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图:中子星大小与曼哈顿岛的比较。

(来源:http://www.astronomy.ohio-state.edu/~pogge/Ast162/Unit3/extreme.html)

中子星内的“中子物质”高度压缩,比普通物质密集一百万亿倍。一颗方糖那么大的“中子物质”,就可以达到一百万亿克,即一千亿千克,1亿吨,要用1000艘排水量为10万吨的航空母舰连在一起,才可以将这一小块方糖那么大的“中子物质”从海上运走。

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碰撞的中子星

中子星里的物质就像被压得紧紧的弹簧,而能压服这些“弹簧”的就是中子星自身的强大引力。一般情况下,想从中子星上面挖出一点点东西,都是不可能的。但宇宙中总有不一般的情况,比如:中子星与中子星碰撞,或者黑洞撕碎中子星。

宇宙中存在无数双星系统,它们由两颗恒星构成,绕着共同的中心旋转。如果这两颗恒星都爆炸为超新星,而且都留下中子星,而且爆炸后的两颗中子星依然没有分离,它们就可以构成中子星双星系统,继续绕着共同的中心旋转。如果两颗恒星一颗爆炸后成为中子星,另一颗爆炸后形成黑洞(或者直接收缩为黑洞),它们就构成中子星-黑洞双星系统,继续绕着共同的中心旋转。

根据爱因斯坦的理论,这样的绕转,会辐射出引力波,导致能量损失。能量损失,导致中子星与中子星(或黑洞)的距离不断缩小。经过大约几亿年甚至几十亿年,中子星与中子星(或黑洞)之间的距离终于小到接近0,中子星在强大引力作用下严重变形,从圆形变为椭圆形,有些部分甚至被撕碎;然后,再过很短时间,它们就并合了。

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图:两颗中子星绕着共同的中心旋转,会辐射出引力波,体现为时空弯曲程度向外传播,这个过程中,中子星会逐渐靠近。(来源:NASA/Goddard Space Flight Center)

对于中子星-中子星系统,碰撞的结果是,两颗中子星的主体部分并合成为一个新的天体——可能是更大质量的中子星,也可能成为一颗黑洞,同时少部分中子星物质成为碎片,洒向外面。对于中子星-黑洞系统,碰撞的结果是,黑洞吞并了中子星的大部分物质甚至全部物质,少数碎片飞出去,或者没有任何碎片可以飞出去。 

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图:两颗中子星并合后瞬间的艺术想象图(Credit: NASA/Dana Berry)

 这些碎片此前作为中子星的一部分,受到强大的引力的束缚,一直保持紧密的状态;但脱离母体之后,这些碎片失去强大引力束缚,就开始急速膨胀,就像压在弹簧上的力突然撤除,弹簧就急速反弹,恢复到原来的松弛状态。

两颗中子星的质量并合之后,抛出去的中子星碎片的质量只有大约万分之一到百分之一个太阳质量。中子星与黑洞并合之后,抛出的碎片的质量的变化范围更大,从零到十分之一个太阳质量。碎片质量的具体数值取决于各种复杂的条件。

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中子星碎片与重元素

中子星碎片往外飞溅的同时,就像充气垫被迅速充了气一样急剧膨胀,但膨胀速度显然比充气垫膨胀速度高得多。中子星碎片膨胀的同时,大量中子变为质子,这些质子与剩余的中子快速结合,形成一些元素。

总体上,虽然有一部分中子转变为质子,但碎片里的中子数目依然比质子数目多,所以合成的元素里的中子普遍比质子多。这样的元素被称为“富中子元素”。地球上就有很多类富中子元素。比如,自然界的金的质子数是79,中子数是118;大部分银的质子数是47,中子数是60或62。大部分铀的质子数是92,中子数是143或146。

上世纪70年代,有人提出:中子星与中子星(或黑洞)并合之后抛出的碎片,会合成大量重元素。经过多年的研究,科学家相信,宇宙中与地球上的重元素,主要来自这两类并合事件抛出的碎片。中子星碎片内部产生的重元素天然具有“中子数显著多于质子数”的特征,换句话说,它们天然是“富中子元素”。超新星爆发虽然也会合成一些重元素,但因为超新星爆发后不会产生比质子多得多的中子,所以难以合成更多“富中子元素”。因此,我们可以认为:这些重金属中的大部分来自中子星碎片,少部分来自超新星爆发,极少一部分来自恒星内部的核反应。

这些富中子元素就包括了黄金、白金、白银、铀、钚以及稀土元素。

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重元素为什么那么稀有?

比起地球上的其他元素,重元素为什么这么稀有?这个问题可以从中子星并合的发生率找到线索。银河系内一百年大约有几次超新星爆发。这些超新星中只有一部分是大质量恒星爆发产生的,那么因此而产生的中子星数目就只是超新星数目的一部分。只有一部分中子星位于双星系统中,能够产生碰撞的中子星事件就又要更少了。

大质量恒星从诞生到爆发为超新星只需要大约几千万年,而两颗中子星并合,需要大约几亿年甚至几十亿年,比前者漫长几十倍到几百倍,在相同时间内,中子星并合的概率就又要更低于超新星爆发率。综合以上各种因素,中子星碰撞事件的发生率远小于超新星爆发率。

此外,每次中子星并合喷发出的重元素物质都比每次超新星喷发出的物质少得多:中子星并合事件喷发出的中子星碎片不到0.1个太阳质量,超新星爆发后一般会喷发出1个太阳质量以上的物质,有的可以达到五六个太阳质量。这使得重元素与普通元素的比例进一步减小。

这些重元素中的金、银、铀、钚、稀土更罕见,每次双中子星并合抛出的碎片中可以合成的黄金的数目非常低,有人认为是几十到几百个地球的质量,有人认为只有几个到十几个地球的质量,这个数值只是太阳质量的万分之一左右。

在太阳系形成之前,附近的超新星爆发将一些不比铷重的元素以及少量重元素喷发到太阳系所在的位置的分子云中;中子星并合或者中子星与黑洞的并合产生的碎片合成的重元素进入这团分子云,这些元素的一部分最终构成了地球。这样的凝聚过程结束后,地球上的重元素远少于普通元素。

黄金、铀、稀土等重金属比较重,所以它们大多数会沉入地球核心,无法开采,这使得地球上可供开采的黄金与稀土尤其少。但有人认为几亿年前一颗富含黄金的小行星撞击了地球,炽热黄金四处流淌,这才构成了地表可以开采的黄金。小行星中的黄金自然也主要来自中子星碎片。不过,最近也有人提出,地球表面的黄金大多来自地幔深处的黄金。但无论如何,黄金、稀土等重金属在地球上与宇宙中都相对稀有。

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千新星:中子星碎片也疯狂

中子星碰撞的意义仅在于制造出重金属吗?1998年,当时在普林斯顿大学读博士研究生、后来在北京大学任教授的李立新与他当时的导师帕钦斯基(Bohdan Paczyński,1940-2007)合作发表了一篇论文,这篇论文讨论中子星与中子星并合之后被抛出的碎片会产生什么样的可观测现象。

他们写这篇文章的初始动机是回答普林斯顿大学的宇宙学家斯培格(Spergel)对他们提出的一个问题:中子星并合后的可观测后果是什么?

在这篇论文中,李立新与帕钦斯基研究了中子星碎片中的放射性元素对碎片自身的加热效应,计算了这种加热效应导致的亮度演化。他们发现,中子星碎片会产生短暂而明亮的可见光与紫外线辐射:它们只需要一两天就可以达到最亮,相比之下,超新星一般需要经过十几天才可以达到最亮。此后,有多个小组对这类现象进行了更仔细研究,在2014年达成了一致的图景:

★ 中子星碎片内部会产生大量放射性元素,如锕系元素中的铀、钚以及其他多种重元素的放射性同位素;

★ 这些放射性元素发生裂变、衰变等过程,释放出大量能量,将碎片自身加热;

★ 碎片里面富含镧系元素与锕系元素,导致自身被加热后发出的光主要集中在红色与红外线波段,紫外波段与其他颜色波段的光相对较弱;

★ 碎片的亮度大约是“新星”亮度的大约1千倍,因此它们被称为“千新星”,也被称为“红千新星”。

★ 系统内部形成的“盘”会吹出的“风”,风内部的质子与中子也会合成的放射性物质,最终发出蓝光为主的辐射,它们被称为“蓝千新星”。

★ 红、蓝千新星的辐射会混杂在一起。

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图:双中子星并合后产生的中子星碎片如同大楼被爆破之后散发出来的扬尘,里面富含的放射性元素将碎片加热,使其发出偏红的光(Credit: NASA's Goddard Space Flight Center and CI Lab)

新星的亮度可以达到太阳的5万倍到10万倍。千新星的亮度是新星1千倍左右,那么就是太阳亮度的5千万到1亿倍。当然这只是粗略估计,事实上,有些千新星可以更亮,成为“万新星”,亮度可以达到太阳的几亿倍,与一些暗的超新星差不多亮,但还是比超新星的平均亮度低很多。

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中子星碎片真的会产生重元素与千新星吗?

从李立新与帕钦斯基的重要的开创性工作开始,就一直有天文学家试图寻找千新星,但除了2013年找到一个疑似候选者之外,一直未找到千新星存在的确凿证据,“中子星碎片产生重元素”这个图景也无法被完全确认。

2017年8月17日,由加州理工学院与麻省理工学院主导的“激光干涉引力波天文台”(LIGO)探测到一个引力波,分析结果表明这是两个中子星并合产生的引力波。这两个中子星在过去至少几亿年时间内绕着共同的中心旋转,同时逐渐靠近彼此,最终并合在一起。由于LIGO仅对几百赫兹频率区域内的引力波敏感,所以只能探测到这类足够靠近、绕转足够快的天体发出的引力波。

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图:LIGO由两个相距几千米的完全一样的仪器构成,图中为位于路易斯安那州莱文斯顿的那个探测器。探测器由两个互相垂直的真空管道构成,激光发射器发出激光后被分割为两个部分,分别进入两个管道,反复反射,最后都汇聚在探测器,形成干涉条纹。如果有引力波到达,将使两个管道的光路发生变化,导致探测器探测到的干涉图案变化,据此可以反推出引力波的性质(来源:Caltech/MIT/LIGO Lab)

更令一部分天文学家兴奋的是,伴随这个引力波的光学爆发现象也在这个引力波被探测到之后11小时就被卡耐基(Carnegie)研究所的1米口径的Swope望远镜探测到了,然后卡耐基研究所的6.5米口径的两台麦哲伦(Magellan)望远镜立即测出了这个光学爆发源的第一批至关重要的“光谱”——将一束星光分解为一条极端精密的“彩虹带”,就是星光的光谱。

此后全世界多个望远镜对这个光学爆发现象的亮度演化与光谱演化进行了大约30天的观测,直到它彻底暗下去。持续的观测与分析证明,这个光学爆发现象确实是一些天文学家苦苦搜寻了近20年的千新星。这是第一颗被确认的千新星。

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图:白色箭头所指的光点就是第一个被确认的千新星被发现时的图像(来源:1M2H/Swope团队)。

对这颗千新星的研究也证实它里面确实含有可观的镧系元素与锕系元素,因此也会产生金、银、铀、稀土等金属。因此,这次重要的观测以及后续分析最终证明:中子星碰撞产生是碎片确实会合成大量重元素;中子星碰撞真的会产生千新星。

LIGO在2017年探测到双中子星并合的引力波之后,又在2019年8月14日探测到很可能(99%以上的可能性)由黑洞与中子星并合产生的引力波。但后续观测尚未发现伴随黑洞-中子星并合的千新星。这是为什么呢?

首先,正如前面所说,有些时候,黑洞会把中子星完全吞入,而不会有任何中子星碎片逃出,因此也就不会有伴随的千新星现象。其次,引力波的空间定位还不够准,在目标天区里有太多星系需要一一观测,以确定哪一个星系里爆发了这次并合。对于比较远的并合事件,这样的搜寻比较慢,即使黑洞-中子星并合真的产生了千新星,也无法及时观测到。

人类第一次确认的千新星,是一个很近的星系中的双中子星并合后爆发出来的,所以当时很快就搜到了。不得不说,这是一个巨大的幸运。不过,不管如何,将来几年,人类很有希望搜寻到黑洞与中子星并合产生的千新星。

千新星是少有的先有理论计算、再有观测确认的天文爆发现象。在此之前,新星、超新星等爆发现象,都是先有观测,再有理论解释。对千新星的深入研究,不仅可以解决重元素起源问题的细节,还可以让天文学家与物理学家对中子星的物理性质进行深入研究,从而探索极端致密时的物质性质。千新星自身也是重要的天文观测现象,是当前与未来的观测研究的热门对象。事实上,它还与另外一个重要的天文现象密切相关,这个现象就是:伽玛射线暴。

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顺便解决另一个难题

2017年8月17日被观测到的引力波事件,不仅让天文学家顺藤摸瓜摸到了千新星,还让他们顺手牵羊解决了另外一个重要的课题:一部分伽玛射线暴的起源。伽玛射线暴是宇宙中短暂的伽玛射线爆发现象,简称伽玛暴。

早在上世纪80年代后期,就有人猜测伽玛射线暴来自中子星与中子星(或黑洞)并合。后来的具体模型认为:中子星与中子星(或黑洞)并合后,中子星碎片的一部分会回落,构成一个盘状物,并与中心天体构成一个系统,产生高速运动的喷流,喷流内产生伽玛暴。

这就是伽玛暴的致密星并合模型。致密星并合模型与后来被提出的大质量恒星爆发模型在上世纪90年代成为伽玛暴的主流模型。

2003年,天文学家首次确定有一些伽玛暴确实来自大质量恒星爆炸,本质上是一类特殊超新星的副产品。但大质量恒星模型只能解释那些持续时间超过2秒左右的伽玛暴。对于那些持续时间不到2秒左右的伽玛暴,人们还是认为致密星并合模型更可能,只是一直找不到直接证据。

2017年8月17日,LIGO探测到双中子星并合的引力波之后2秒,NASA的Fermi伽玛射线卫星在同一片天区探测一个伽玛暴,后来的分析表明这个伽玛暴与引力波都起源于同一对中子星的并合。这个结果直接证明:双中子星并合确实会产生一部分伽玛暴。从此,伽玛暴的致密星并合模型被正式证实。

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图:双中子星并合后抛出碎片的艺术想象图,图中还给出了周围时空扭曲、两极产生喷流的图景

(来源:NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet - https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20171016d)

伽玛暴一般在喷流中产生,而喷流具有强烈的方向性。喷流产生后,恰好对准地球的概率只有大约百分之一。而这次伴随引力波与千新星的喷流居然对准了地球,使得地球上方的卫星可以探测到喷流中产生的伽玛暴,这又是一件非常幸运的事。

再考虑到这次爆发如此之近,以至于对应的千新星可以轻易被搜寻到,我们可以认为,这样的事例发生的概率,就像一个从未打过篮球的儿童在篮球场一个篮筐下方,背对着远处另一个篮筐,往后随手一扔,就把球扔进了篮筐。

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统一图景:宇宙中几乎所有元素的起源

从上世纪20年代爱丁顿(Arthur Stanley Eddington,1882-1944)首次猜测恒星内部会通过核聚变产生一些元素,到2017年LIGO以及其他仪器探测到双中子星并合产生的引力波、伽玛暴与千新星,证实中子星并合产生的碎片会制造出重元素,人类用大约100年时间才构建起化学元素起源的完整拼图。

这个拼图由下面各部分构成:

★ 宇宙大爆炸之后的几分钟内,制造出当前宇宙中所有的氢、大部分氦与微量的锂;

★ 低质量恒星演化到末期,抛出含有一些轻元素的物质,露出核心的白矮星;

★ 位于双星系统中的白矮星“窃取”足够多伴星物质后将堆积的物质喷发出去,形成“新星”爆发,爆发过程中合成的锂构成了宇宙中的锂的大部分;

★ 大质量恒星内部的核聚变形成氦、铍、硼、碳、氧、硅、硫、磷、铁等中等质量元素,并形成少量比铁重的元素;

★ 内部无法继续发生聚变反应的大质量恒星,与堆积过多物质的白矮星,爆发为超新星,抛出此前已经合成的众多元素,同时合成大部分中等质量元素与一小部分重元素(此外,超新星爆发后还会将粒子加速为宇宙线,宇宙线可以轰击出一部分锂;活动星系核也会产生宇宙线,轰击出锂。);

★ 双星系统中爆发的超新星遗留下来的中子星与中子星(或黑洞),它们并合后抛出的中子星碎片内合成大部分重元素,含金、银、铀与稀土元素,碎片自身产生了千新星爆发现象。 通过新星爆发、超新星爆发与千新星爆发,锂以及比锂重的大部分元素被分批次喷发到宇宙空间,进入周围的以氢分子为主的分子云,使它们富含各类金属与非金属。

这些分子云最终构成了一个个恒星-行星-小行星系统,构成了我们头顶的璀璨星空。行星与小行星上的物质,除了氢与一部分氦来自大爆炸之后的核合成之外,其他几乎所有元素都来自新星、超新星与千新星物质。其中,金、银、稀土与核燃料之类的重元素大部分来自中子星-中子星(或黑洞)并合时产生的碎片(千新星)。 

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图:哈勃太空望远镜拍摄的名作《创生之柱》,这些富含各种金属物质的巨大分子云中正在形成新的恒星-行星-小行星系统。(来源:NASA/ESA, Hubble Space Telescope)

因此,我们可以认为:宇宙大爆炸、新星爆发、超新星爆发与千新星爆发所喷发出的各种“星尘”几乎构成了我们宇宙中的一切——包括我们的地球、我们、我们所能看到的日月星辰,构成了元素周期表中那些非人造元素,当然也赋予我们各种耀眼的“金”“碧”辉煌。所以,我们,的确都是“星尘”。

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图:NASA投资近百亿美元制造的詹姆斯·韦伯太空望远镜的6.5米口径的主镜面上镀着厚度只有几微米的黄金。图中为这个拼接式望远镜的多个镜面的一个。比起其总造价,这些黄金的价钱完全可以忽略不计;但要将微弱的光尽量多地反射、搜集,这些黄金将起到至关重要的作用。将来,这个望远镜也将为观测中子星并合后的千新星的辐射作出重要贡献,以回报身上镀的这层黄金。(Credit:NASA/Drew Noel)


文章作者:王善钦,2018年于南京大学获得天文学博士学位,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、千新星等爆发现象,至今为止在ApJ, MNRAS上发表15篇Sci论文。业余也研究天文学史与物理学史。

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本文经授权转载自微信公众号“蔻享学术”。

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