为什么说 LIGO 探测到的 GW170817 引力波和光学对应体能解释重金属元素（金、铂等）的来源？ 第1页

究竟发生了什么事情？

几天前，全体人类得知，引力波事件GW170817和伽玛射线暴发事件GRB 170817A对应于一起同样的天文事件：两颗距离地球约1.3亿光年的中子星在跳完一段圆舞曲之后，合并了。它们在时空中激起了剧烈的涟漪，而且还放出了耀眼的光芒。（事件详情见问题：如何看待 2017 年 10 月 16 日 LIGO 宣布探测到来自双中子星合并的引力波事件？）

有部分媒体报道，比如说The Verge提到

And the light emitted from the kilonova showed how those elements, such as gold, were produced in the wake of the merger.

再比如，Forbes提到：

We’ve shown that the heaviest elements in the periodic table, whose origin was shrouded in mystery until today, are made in the mergers of neutron stars. Each merger can produce more than an Earth’s mass of precious metals like gold and platinum and many of the rare elements found in our cellphones.

也就是说，这次发现同时向人类揭示了：中子星合并事件能够产生金、铂等重元素。

为什么是金？

之所以要强调金、铂，不是因为这两种东西比较贵，而是由于它们恰好代表了一类我们过去不清楚其起源的重元素。

科学上很重要的问题是研究万物的起源。元素周期表上一百多号元素的起源，则是天体物理学家最关心的问题之一。这项研究起源于上世纪50年代（“B2FH paper - Wikipedia”）。60年过去后，在积累了大量的天文观测数据与核物理实验数据之后，我们终于有机会补全所有元素起源的主要框架了：

• 氢、氦：形成于宇宙大爆炸初期，来自早期高温高密状态的宇宙。对其过程的详细研究，被称为“原初核合成”。最有名的科普读物就是《最初三分钟》。
• 锂、铍：一部分起源于宇宙大爆炸，一部分来自宇宙射线和星际分子的相互作用，还有一部分可能来自于大质量恒星的演化过程。这部分的研究相对来说还不是主流，因而数量较少。
• 硼、碳到铁、镍：主要来自大质量恒星演化过程中的核聚变反应。这些研究在几十年前就找到了大量观测证据（比如红巨星中的Tc谱线），近些年的低能核物理实验结果也进一步支持这些恒星核合成理论。
• 超铁元素：理论认为，它们几乎都是来自于中子俘获过程(Neutron Capture)。根据中子俘获反应的频率不同，该过程又分为：慢中子俘获过程（slow-neutron capture process，简称s-过程）与快中子俘获过程（rapid-neutron capture process，简称r-过程）。其中，s-过程一般被认为发生在渐进巨星分支星（AGB Star）中，能产生差不多太阳系中差不多一半左右（数量上）的超铁元素。而r-过程就稍显神秘了，我们尚不清楚它主要发生在哪里，也不是很清楚它的反应细节，我们只知道它能产生剩下一半的超铁元素。

事实上，大家和媒体都关心的金、铂等元素，在s-过程中一样能够产生，只是量实在是太少了，无法解释它们在太阳系中的观测含量。而更重要和更明显的问题是，如果只靠s-过程，根本无法生成铀、钍这类放射性重元素！这个时候，我们就需要神秘的r-过程来解释核电站存在的基本条件了。

为什么是快中子俘获过程？

上帝说：要有中子！

在解释为什么需要用r-过程产生金、铂等元素之前，我们得看看为什么聚变反应无法生成比铁更重的元素。

几乎所有的科普书、天体物理教材都会说：大质量恒星的内部在不断地进行着核聚变反应，不停地把氢原子核聚变成为氦原子核，然后再把氦原子聚变成为碳原子核、氧原子核、硅原子核等等，一路到铁原子核，最后恒星核心的铁原子核再也无法通过聚变释放能量来抵抗自身强大的引力，整颗恒星就走到了生命的尽头。其实，这么说略微有一些问题：铁原子核并不是最稳定（单位核子的结合能最低）的原子核，理论上来说，铁原子核还能通过某些特定的聚变反应释放能量。

为了解释这个问题，细致的讨论需要一些复杂的计算（最终需要求解两个二元非线性方程组）。为了保持阅读体验，我（尽力）只描述一下那些计算背后的物理图像:

1. 当大质量恒星寿命将尽时，它的核心具有很高的温度和密度；
2. 在极端的温度下，高能光子可以不断地将原子核分解成更小的原子核（或核子）；
3. 在极端的密度下，原子核与中子聚变、与质子聚变、与氦原子核聚变等一系列的聚变反应都有可能发生；
4. 几乎所有的核反应都有可能发生，换句话说，几乎所有的核反应都在竞争有限的原子核；
5. 在中子和质子几乎一样多的环境中，各种相互竞争的核反应最终会倾向于生成少数几种原子核。

最后一点怎么理解呢？举个不是特别恰当的例子：假如有一个国家允许人口自由流动，那么在任何一个时刻，每个地区都不断有流入的人口和流出的人口。但长期来看，总有那么几个地区的人口相比于其他地区要更多一点。如果这个国家的人口多数是具备工业技能的，那么更适合工业生产的地区可能就更有吸引力，从而会有更多的人口；如果多数人具备农业生产技能，那么更适合农业生产的地区可能就会有更多的人口。所以，在特定的外部条件（人口的技能属性）下，各个具有不同特性（适合工业或是农业）的地区自然就有了不同的人口数量。

回到恒星中，我们得到了一个这样的结果：

在中子和质子几乎一样多的环境中（外部条件），镍-56（镍的一种同位素）的原子核就在竞争当中脱颖而出了。这是因为镍-56恰好有28个中子和28个质子（favored by environment），而且它本身的核结构也很稳定（favored by its own structure，熟悉核物理的读者会发现它是一个双幻核）,比较难通过核反应转变成其他原子核。

在生成镍-56之后，虽然它在核反应中是相对最稳定的，但镍-56的原子核本身是不稳定的，它很快（6天左右）会通过beta+衰变成为稳定的铁-56原子核。于是，在恒星环境中，铁-56（以及与它“类似”的原子核）就成了最终产物(统称Iron peak - Wikipedia)。

记住这个上面的这个逻辑，然后让我们再来看一下元素周期表里的元素。

• 银（47号元素）：有两种稳定同位素（Ag107, Ag109），分别含有60个中子和62个中子。
• 铂（78号元素）：有六种稳定同位素（Pt190, Pt192, Pt194, Pt195, Pt196, Pt198），分别含有112，114，116，117，118和120个中子。
• 金（79号元素）：只有一种稳定同位素（Au197），含有118个中子。
• 铀（92号元素）：存在三种长寿命同位素（U235, U236, U238），分别含有143，144，146个中子。

聪明的你一定发现了它们的共同点：这些原子核里的中子明显多于质子。所以，根据我们之前的讨论，如果自然能够产生这些原子核，那么产生它们的环境里一定富含中子！

可是，“自由的”中子并不稳定，它是会衰变的。

天下武功，唯快不破

此时，我们需要考虑两个问题：

1. 自由中子的平均寿命大概只有不到15分钟，而不自由的（束缚在原子核或中子星里的）中子又不大可能参与核反应。那从哪里能获得自由中子呢？
2. 因为自由中子是一种有保质期的原材料，核合成过程得在它完全变质之前使用。所以，核反应速度不能慢，即环境温度必须足够高（一般来说，温度越高，核反应越有效率）。

一种办法是，把束缚在原子核里的中子释放出来。比如发生在AGB星中的s-过程，自由中子通过

这两个反应产生，然后在衰变之前和铁（准确的说是铁峰元素）原子核结合，生成某个同位素。但是在s-过程中，自由中子的数量并没有足够多，如果生成同位素是不稳定的，它会在与另一个中子结合之前发生beta-衰变，然后就变成了更高一号的元素。

可是，如果中子俘获速度不够快，那自然界永远也无法产生Cd116, Sn124这些原子核，因为它们与各自的稳定同位素之间都隔着至少一个不稳定同位素。更不用说铀元素了，U和Bi之间隔着8种放射性元素。所以，我们需要更快的中子俘获率，也就是需要更多的中子。

第二种办法是，把质子转变成中子，也就是通过

反应，将一个质子转变成一个中子和一个正电子。这种反应的关键是电子型反中微子，因为质子（氢原子核）到处都是。自然界里最强大的电子型反中微子源，就是核心坍缩型超新星（CCSN）。当一颗大质量恒星死亡前的瞬间，它的核心会在强大的引力作用下迅速向内坍缩（参见我在另一个问题下的回答https://www.zhihu.com/question/20722535/answer/62328431），最里面的铁核心转变成一堆联系更紧密的核物质（Nuclear Matter），核物质里的核子通过各种相互作用就能产生巨量的电子型反中微子。这些电子型反中微子再与更外层的自由质子反应，就能在极短的时间内产生大量的自由中子。有了足够多的中子，一个稳定的原子核就能连续俘获更多的中子，从而生成s-过程中无法生成的原子核。

最后一种办法是，先把中子储存着，需要的时候再释放出来。这就是发生在此次中子星合并事件中的场景。顾名思义，中子星里面本身就含有大量的中子。在中子星合并过程中，大量高温高密的中子物质在死亡圆舞中被抛射出来。这样的环境简直就是发生r-过程的理想场景！

早先的许多计算机模拟显示，在中子星合并过程中，差不多有千分之一到百分之一个太阳质量的物质会被抛射出来，其中发生的r-过程能够产生相当可观的超铁重元素（准确来说，是Ba之后的元素），而且相对数量（即分布）和天文观测基本一至！

这次观测验证了什么？

这次重要的发现，除了引力波段和Gamma波段惊人的对应（再次感叹人类真是走了狗屎运），还有大量可见光和红外波段的信息。接下来，我会围绕两个问题进行叙述：

• 中子星合并理论能预言什么？
• 观测与预言相符吗？

所有的计算机模拟都显示：两个巨大（重）的致密天体相撞，强大的潮汐效应会将中子星的一部分撕得粉碎，然后把这部分富含中子的碎片抛向更远的空间。合成超铁元素所需的r-过程就发生在这些碎片当中。

但是，引力波无法传递核反应的信息；在天文尺度上，我们也无法直接看到那些反应的细节（比如说反应截面）。更为麻烦的是，我们甚至很难看到r-过程的直接反应产物，因为r-过程生成了大量放射性的不稳定原子核，它们的平均寿命在百分之一到千分之一秒之间。那要如何证明我们的理论呢？

正如大家听说的，在融合发生之后，全世界几乎所有主要的光学望远镜都瞄准了事件发生的地点。接下来的几天，红外波段不断变化的谱线被观测到了（如下图）。很显然，随着时间推移，中子星融合事件的抛射物变得越来越冷。这是很自然就可以理解的。但与一般冷却过程不同的是，由于r-过程的放射性产物的存在，这些抛射物在冷却的同时又被那些原子核的衰变过程加热。

所以，如果理论能够预测到这个特殊的冷却过程，那么也一定能预测谱线存在的特殊结构。这些特殊的结构起源于1）各种放射性原子核的产量，考虑到不同种类原子核的半衰期不同，加热的功率在各个时段里是不同的；同时2）原子核一旦俘获电子形成原子，就会对光在各个波段的透射率产生显著的影响（比如高度不透明的镧系元素）。在之前的研究中，尽管模型还很粗糙，比如只考虑球对称的、均匀的、达到局域热平衡的喷射物（像不像真空里的球形鸡? :D），理论仍然能够给出可以验证的结论。事实上，对于天文学家来说（世界上对误差最宽容的人），这次理论与观测符合得相当好。

仅仅通过调整包括抛射物质量、抛射速度、以及镧系元素的数量这三个参数，天体物理学家已经能很好的描述观测现象，而且基本能确认如下三个结论：

• 这次中子星合并抛射出了百分之五倍太阳质量左右的物质
• 其中既有低中子含量（星风部分, neutrino-driven wind）的成分，也有高中子含量（动态抛射物, dynamical ejecta）的成分
• 总共产生了万分之四倍太阳质量左右的镧系元素，占抛射物的百分之一左右

回头看看图5，A=130区域的镧系元素的质量比例是不是也是百分之一左右？这就是科学的强大之处，即便是一亿光年之外的事情，我们也能窥见到如此程度。

那产生了这么多的镧系元素，又有多少金子被抛出来呢？到图5中找一下A=197（稳定金原子的质子加中子数目）的位置，质量比例接近千分之一，也就是差不多十万分之四倍太阳质量。太阳质量差不多是地球质量的33万倍，所以这次中子星合并事件差不多能产生13个地球（不同的模型和计算方式可能会有一个数量级左右的误差）这么重的黄金！

宝藏的方向已经已经指明，少年们剩下的征途就是星辰大海。

---------------未完，待续-----------------

还剩下什么问题？