宇宙重金属如何形成的（宇宙中的重金属到底从何而来）

宇宙中的所有元素，以铁为分界线，划分为两大阵营，即轻元素和重元素。铁元素及原子序数在铁以下的元素，基本上都可以在恒星的演化进程中“锻造”出来。在恒星内核高温高压以及量子隧穿效应的作用下，较轻的元素原子之间发生核聚变反应，也就是通过“质子融合”形成原子序数更大的元素。

恒星的质量越大，内核发生核聚变反应的强度就越大，最终推动核聚变反应向纵深方向发展的条件就越充分，因此反应的产物原子量也就越大，一直到铁为止。由于铁原子的比结合能最高，如果让它继续发生核聚变反应，那么所注入的能量将要比释放的能量高，所以仅靠恒星内部核聚变反应产生的能量，不足以推动铁继续发生核聚变反应，巨大恒星的内核往往到产生铁的时候，也意味着恒星生命周期已经进入尾声。

然而，宇宙包括地球的地层中，都含有一定量的金、铂以及其他重金属元素，长期以来，科学家们对这些重金属的来源感到迷惑，因为这些重元素的形成过程，必须要具备比恒星更多能量的反应环境。

于是，科学家们目标瞄向了超新星爆发，这是大质量恒星在生命末期，由于内部核聚变停止后，外部物质向内核急剧坍缩所引发的强烈“爆炸”，在巨大能量的加持下，某些区域重启了更为强烈的核聚变，从而形成不可控的聚变反应，将恒星外层物质从“母体”中剥离以粒子的形式抛洒出去，甚至将整个恒星都“炸为乌有”。

在超新星爆发过程中，巨大的能量输入，为那些原来恒星聚变的产物提供了继续“合并”的条件，其中以“快中子捕获”最为突出。以铁原子为基底，在巨大能量加持下，外界的自由质子被压进铁原子核中，在极短的时间内，通过“快中子捕获”聚合形成很多比铁元素原子序数还要高的重元素。

不过，因为超新星爆发的时间很短，在这么短的时间内，不足以形成足够多的重元素，一般情况下，无论是新生成还是通过更重元素的衰变，产生稳定重元素都需要一定的时间，越重的元素所需的时间就越长，所以，对于目前宇宙中存在的诸多重元素，超新星爆发的条件显然还不够。

在这样的背景下，科学家们又将寻找宇宙“金矿”的目标瞄向了中子星。在理论上，当中子星合并或者相互之间发生碰撞时，仍然会发生较为强烈的快中子捕获，而且持续时间更长。在这个过程中，在中子星上会形成巨大的潮汐力，两颗中子星就像拖着长长的尾巴一样，并且向空间中抛洒大量中子星物质。

被抛洒出去的中子星组成物质，由于极其不稳定，特别是其中的重核会快速发生衰变，在衰变的过程中，像金、铂等大量的稳定态重金属元素相继形成。通过这种方法，理论上产生的稳定重元素比例，要比超新星爆发高出许多数量级。

这种推测，科学家也通过天文观测的方法得到了证实。在 2017 年，美国和意大利的引力波天文台 LIGO 和 Virgo ，首次发现在双中子星合并的过程中形成大量重元素的现象。两个引力波探测器接收到的“时空涟漪”，距离地球约1.3亿光年，而造成“涟漪”的来源就是两颗中子星的合并。

在这两颗中子星合并时，发出了耀眼的闪光，通过光谱仪器测量发现，其中包含着明显的重金属元素的特征，特别是展现出“合成”的金元素数量，甚至比地球的重量还要大上好多倍。通过数学模型测算，科学家们发现，与超新星爆发相比，双中子星合并事件，是产生宇宙中重元素最有效的方式，没有其一，就连中子星与黑洞合并都赶不上这种方式。因此，从某种意义上来说，中子星的合并，造就了宇宙中最重要的“金矿”。

在宇宙的“终极天体”合并事件中，黑洞与黑洞、黑洞与中子星以及中子星之间的碰撞合并，这3者肯定会排在前三位。不过，由于对单一黑洞监测的难度极大，黑洞与黑洞合并相较于其它两种合并事件来说，被发现的几率就更低了，况且黑洞与黑洞合并，都会组合成更恐怖的“引力陷阱”，除了伽马射线、引力波等外，其它物质是很难逃脱的。

所以，宇宙“金矿”之争，就落在了黑洞与中子星、中子星与中子星这两者之间。与黑洞与黑洞合并不同的是，在某些条件下，黑洞可能会破坏中子星，使其在黑洞完全吞噬恒星之前，会产生“火花”并喷出很多重金属物质。

有研究团队利用LIGO 和 Virgo，对两颗中子星合并、中子星与黑洞合并事件进行了研究分析。根据相关监测数据以及模型模拟计算结果，当考虑到物体质量、旋转、破坏程度和发生率的不同组合情况下，平均而言，双中子星合并产生的重金属量，将是中子星和黑洞合并产生重金属量的 2 到 100 倍。所以，研究团队认为，宇宙“金矿”的桂冠，应该颁发给中子星合并。

随着LIGO 和 Virgo的优化和完善，2022年将进入升级观测阶段。对于重元素观测来说，这两个天文观测台，将为科学家们深入研究 “终极天体”合并产生重元素的速度提供更全面的数据，同时，根据观测到的各种元素丰度和空间分布，科学家们也可以判断和确定遥远星系的年龄，可谓一举多得！