一、前言

黄金是人类最喜爱和最贵重东西之一，新郎结婚时总会出高价给新娘买件黄金戒指作为纪念品；国家印制钞票时，以大量黄金铸锭块作为抵押品保证钞票的价值，但是你知道黄金是怎样产生的吗？人们会答道：是从金矿开采出来的。那么金矿的金是从哪里来的呢？是地球形成时带来的......追到底，化学元素金是怎么产生的？

二、化学元素的形成与元素的平均结合能的关系

从化学的观点看宇宙万物是由一百多种元素构成的，每种元素都由其最小、最基本结构原子构成，原子又由中子与质子构成的原子核和其外围运动的电子合成。元素的化学性质是由周围运动的电子数（也即原子序数Z）和与原子核质量有关的原子量(A)来确定的。门杰耶夫发现了化学元素的性质与元素原子最外层的电子数有关，而建立了化学元素周期表。在更进一步研究化学元素稳定性时发现了元素的平均结合能与元素核子数存在一个重要的变化关系（如附图1所示），即元素平均结合能并不是与核子数成正比或呈一直增加的趋势，而是在铁(Fe)元素处出现了一个最大值，形成了两头低，中间高的情况。元素的平均结合能也称比结合能，表示该元素形成时所需要的能量，也即从外界给出这些能量才能构成该种元素，此能量愈大就说明该元素愈稳定，愈难将其分裂，平均结合能愈小，就说明容易分裂。铁（Fe）元素因此最稳定，比铁重的（如铂、金、铅、铀等）和比铁轻的（如氢、氦、锂等）都不如铁稳定，也就是说比铁重的元素容易经过分裂而放出能量；比铁轻的元素需要通过合成较重的元素使其排位更靠近铁。这就是重元素铀等通过裂变为较轻元素释放能量和氢等轻元素通过聚变为较重元素，通过聚变释放能量两种核能应用的原理。但是你是否注意到在平均结合能图上，从铁（Fe）到铀（U）那段曲线所对应的物理过程是否会自动发生呢？也即重金属金、铂等是怎么产生的呢？实际上它们只能通过俘获中子，然后经过β衰变（因β衰变发射一个电子，故实际上等于增加了一个质子），这将在元素周期表上向右移动一位，即由铁变为钴(Co)，再俘获中子，又经过β衰变，则进一步变为镍(Ni)······如此下去，直到最后的铀(U)，所以超铁重金属的产生，实际上变成为一个中子俘获问题。

图1 元素平均结合能与核子数的关系

三、关于中子俘获的两种类型

中子俘获是一种原子核与一个或者多个中子撞击，形成重核的核反应，由于中子不带电，它们比带一个正电荷的质子更容易进入原子核，在宇宙形成过程中，中子俘获在一些质量较大元素的核合成过程中起到了重要作用。共有两种中子俘获过程：

（1）快中子捕获过程（简称快过程）：当超新星暴发时，其核心塌缩过程中以铁为种核进行的快中子捕获过程。在超新星核塌缩后，高温条件下，约有10中子/·秒流量快中子喷出，其速度比β衰变都快。当中子壳层关闭而种子的捕获截面变小时，可使快过程终止。以上是超新星暴发时的情况，后来发现的双中子星并合时，快过程进行的更为剧烈。快过程产生的中子用于产生原子量大于铁元素的效果可以从锗、氙、铂三种元素丰度（近似地可理解为丰富的程度）峰值在快过程后立即增大来证实。

（2）慢中子捕获过程（慢过程）：当中子密度不够大和温度不够高，原子核捕获中子的速率不够高而低于β衰变速率时，放射性同位素在另一次俘获前就先衰变为稳定的原子核，影响到形成比铁原子量大的元素行程的进度，但也创造了另一半比铁重的元素，它主要在恒星演化中扮演重要的角色，如天文学家在某些红巨星（晚期的红巨星也称为AGB星）发现了钡，也是以铁为种核，通过慢过程生成的。

总之，快过程和慢过程的中子俘获对比铁更重元素的生成起了很重要的作用，但是快过程和慢过程产生的中子量仍不够大，这要等待能产生更大中子源的天体演化过程的发现。

四、千新星的出现

千新星的出现就是快过程和慢过程能够提供更大中子源的天体物理演化现象。先说一下“千新星”名词的由来。在太空中，作为致密星的中子星存在的几率是很大的，当两颗中子星相遇时，很容易相互吸引，围绕其公共质心旋转，边旋转，边靠近，最后发生碰撞而溶为一体，发生闪光而结束，看起来并不像超新星那样连续发光持续几天甚至几个月，但是根据天文学家的实际测量，它所发出的总能量可达到约超新星能量的一千倍，由于它包含很多超短光波长成分，好像不如超新星那样明亮。中子星的主要成分是中子，它并合时相互挤压，其抛射物中含有非常多的中子，对生成比铁重的元素，即超铁贵金属元素起非常大的作用。2017年8月17日位于智利Las Campanas天文台的1米口径swope望远镜率先在事件发生10.9小时后发现了一个发光星体，记作SSS17a如附图2所示。这一发现随即被其它众多望远镜所证实，共有70架望远镜对此发现进行了跟踪观测，包括我国南极天文中心的AST3望远镜。经过持续深度的监测，证实它是一颗两个中子星并合产生的千新星，编号为AT2017gfo，它与引力波和短伽马暴现象同时出现说明它们有密切连系。由于千新星是两个中子星并合产生的高丰度中子的天文事件，故其快过程发生几率也会很大，这为生成黄金等重金属元素，提供了极为有利的条件。

图2 千新星的暴发SSS17a

五、双中子星并合（千新星）过程的天体物理模型

附图3双中子星并合过程想象图给出了两个中子星刚刚并合后相互结合又相互挤压的初始图像，正在旋转和垂直方向上的喷射也可清晰地显示出来。这时存在着两种不同的运动形态：一种是水平方向上常见的引力形成的潮汐型质量离心迁移（高速旋转引起的）。另一种是两个中子星相撞，其接触面受到挤压，瞬间产生一个强大的激波，使相当大一部分物质被加热膨胀，产生向外的压力，在热压作用下，中间部分的物质将沿着垂直方向（斜上方）抛射。这两部分运动物质的质量和速度相当，大概都在-太阳质量()和(0.15-0.35)倍光速(C)的速度的范围内。但是它们的电子丰度可能存在显著的差异。潮汐部分丰度Ye<0.2，挤压部分则由于它的激波加热和中微子照射电子丰度Ye<0.25，电子丰度Ye与中子丰度Yn相反，Ye低时中子丰度Yn就愈高，所以潮汐部分中子更多些。

图3 双中子星并合想象图

附图4 三种不同的并合情况模型图（a）（b）（c）

附图4示出三种不同的并合情况：其中蓝色部分为挤压动力学成分，对应于垂直喷射部分。两侧红色部分为潮汐动力学成分对应于想象图中的左右两侧。中央“盘风”处为吸积盘中心。图(a)是两个中子星并合成为一个稳定的大质量中子星的情况：图中红色部分表示潮汐动力学成分，也即吸积过程中常见的潮汐部分，分布在左右两侧，这部分的粒子流速(v)为(0.2-0.3)C（光速），中心的浅蓝色是吸积盘的中心，其中的等离子流速v小于0.1C（光速）形成盘风，中间上下深蓝色示挤压动力学成分v：(0.2-0.3)C（光速），这部分的粒子流速v约为(0.2-0.3)C（光速）。还有很重要的一点是红色还表示中子的丰度很高，蓝色表示中子丰度很低，所以图(a)的情况是：潮汐动力学部分（左右两侧）中子丰度较高；挤压动力学部分（上下两部分）中子丰度较低，中间盘风处中子丰度较低；其次我们看到图(b)即两个中子星并合后变为一个中子星的情况：总的看来，和图(a)基本上相近，但是在吸积盘的盘风中心处和图(a)绝然不同，它是一个高丰度中子的区域，快过程的高发区域，也即高产黄金的区域；图(c)是一个中子星和一个黑洞的并合情况，结果是挤压动力学部分消失（根本就没发生挤压！）但盘风处仍有一定量的中子丰度，保持着快过程的进行和存在。

六、中子星和黑洞并合时抛射物的快过程

由于快过程对反应物的中子丰度有极高的要求。中子星并合所产生的抛射物无疑地是快过程发生的最有利场所，反应物具体的中子丰度将显著地影响快过程的形成和含金比率。在Ye<0.2（高丰度的中子），快过程进行地比较彻底，超铁元素（如金）将形成连续的分布，附图5中示出了快过程元素合成路径示意图，即质子数Z/中子数N比例图，在此图中斜率愈小，即中子数N比例愈大愈好。图中黑色线是慢过程的Z/N曲线，可以看到：在每一段中，快过程的斜率都比慢过程低，即中子数大，效果好。

图5 快（r）过程元素合成路径示意图

七、结束语

1、元素周期表中超铁重元素的形成直接和中子的存在、中子的丰度有关，在小质量恒星内部的核反应过程中，所产生的元素基本上终止于CNO（碳氮氧）循环，根本无法产生金等重金属；到了超新星爆发，Ⅱ型超新星爆发出现了中子星，开始有了快中子的过程，超铁重金属产生才有了保证，但快过程还不够剧烈；到了双中子星和中子星与黑洞并合的千新星阶段，快过程发展到更剧烈、更强大的阶段，则超铁重金属元素的合成迈进了一个新的阶段，出现了新的高峰。对产生金元素非常有利。

2、再有一个问题需要向大家交代一下的是通过千新星产生的金如何达到地球，形成金矿或砂金的？

根据现代行星形成理论，行星孕育在恒星早期分子云坍缩形成的原行星盘中。由于角动量守恒，坍缩中的原恒星将不可避免地在其赤道附近形成原行星盘，而行星将从原行星盘中产生。因为向主星吸积以及盘的粘滞发热处在红外波段，通过红外望远镜（如美国的空间红外望远镜spitzer）可观测到恒星光谱中由原行星盘产生的超红外现象。原行星盘的物质大致可分为两类：气体（，He分子）和重元素物质，其中包括金等重金属，原行星盘的质量大约为主星质量的0.1%-10%，随着行星的演化，直到今日的行星,如地球上的超铁重元素金等也必然包含在其中。