銀河系裡恆星的形成和死亡時的元素合成是一個非常稀罕的物理過程

【作者：黃媂】

在宇宙的 「原初核合成」和恆星的內部核合成如何產生我們身體內的各種元素的過程，其實在物質世界裡面還有一些其它元素，它們不一定是我們身體裡面必須的，但是這些元素跟我們的生活是息息相關的，下面就來剖析下這些元素是如何形成的。

稀罕的物理過程·雙中子星的併合所產生的元素

在大街上你經常會見到一個普通的年輕人，她戴著一副眼鏡，手裡拿著一臺手機，你會看到她的眼鏡架是鈦合金的，她手裡拿著的手機裡面的集成電路板包含了金和銀，所以鈦合金、金和銀這些元素並不一定是我們身體所必需，但是有的時候它們所構成的這些物品成為我們生活裡面的一部分，譬如說金和銀它們裡面相當的成分是來自於雙中子星的併合，在2017年8月17號這是一個歷史性的日子，人類第1次同時探測到了「引力波」和它的「電磁對應體」。

下圖所展示的是兩個中子星快速地旋轉和併合，以及它們所產生的輻射的過程，這個併合一方面會產生引力波的輻射，引力波所對應的頻率會因為兩個中子星快速地旋近會越來越高，所以在右上方的圖裡面看到頻率隨著時間的變化，當兩個中子星最終併合之後會伴隨著物質的拋射和能量的釋放，這個能量的釋放就伴隨著電磁輻射，所以在右下方圖裡面展示的是它在伽馬射線能段流量的變化，從右邊的兩張圖的比較可以看到引力波所反映的中子星併合的事件，比它最終伽馬射線發出來的時間要早一點，因為最後併合的過程才是釋放能量的原因。

圖解：兩顆中子星在併合

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什麼樣的天體才能稱為「中子星」？

「中子星」是大質量恆星死亡坍縮所產生的產物，事實上在20世紀的30年代人們就對它有一些了解了，在1934年兩位觀測天文學家「巴德」和「茲威基」，他們在研究超新星爆發的時候就提出了一個觀點，他們認為超新星爆發的過程可能會產生中子星，幾年之後美國的物理學家「奧本海默」去研究中子星的結構得到了它內部的構成，所以這是第1個關於中子星的理論模型，中子星其實在某種意義上可以把它想像成一座像山那麼大的一個原子核，因為它的大小也就相當於一座山，它的密度跟原子核的密度是相當的，從那以後就沒有人再關注這個問題了，因為在宇宙空間裡面漂浮著像一座山那麼大的天體，它的輻射強度肯定是非常微弱的，因為跟正常的恆星相比它太小了。

• 過了將近30年人們才偶然發現了中子星存在的證據

1967年當時英國劍橋大學一位叫做「休伊什」的天文學家，他自己研製了一架射電望遠鏡，這架射電望遠鏡的目的是研究「河外星系的閃爍」，「閃爍 」就是每一顆星星是明暗之間在變化的，而一個河外天體一樣也會發生閃爍，當來自河外天體的光經過太陽系的時候，它會和太陽系裡面的氣體塵埃發生散射的現象，使得它運動的方向會發生變化，所以我們在地面上看的時候它就會出現明暗交替變化。

在這臺射電望遠鏡觀測時採用的並不是在光學波段，而是在無線電波段，由於無線電的波長特別的長，所以他的望遠鏡跟光學望遠鏡是完全不同啊，它他的望遠鏡是由很多柱狀的天線構成的，但是這個望遠鏡有一個特點就是對於時間的解析度特別高，因為這樣它才能夠捕捉到那個閃爍的信號。

「休伊什」把觀察閃爍現象的這個任務就交給了他的研究生「貝爾」，她在不斷地監測信號記錄的時候，就偶然發現了一個特殊的信號，強度隨時都在變化，但是每一個信號之間的間隔幾乎是完全不變的大約是1.337秒，這是個非常特別的現象。

PSR B 1919+21這顆天體通過一種特殊的輻射方式產生了「脈衝」輻射信號，所以把這個輻射源稱為「脈衝星」，它的名字用1919+21來表示，這實際上是反映了這顆天體在天球上的方位。

圖解：「貝爾」監測的脈衝星PSR B1919+21數據

其他天文學家知道這個消息之後，世界上其他的射電望遠鏡都開始去觀察和搜尋脈衝星，很快在1968年的時候在「蟹狀星雲」遺留的氣體雲裡面發現了一顆「脈衝星」，它的脈衝的周期是33毫秒，這正是一顆「中子星」，這個觀測事實也證實了超新星爆發確實是可以產生「中子星」。人們最早去研究中子星的時候主要是從光學波段去推測它的光度的，但是意想不到的是輻射最強烈的是在射電波段。

圖解：蟹狀星雲裡其中一顆脈衝星

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「脈衝星」與「中子星」之間有什麼聯繫？

並不是所有的中子星都可以表現為脈衝型，只有當中子星具有相當強的磁場條件下它的輻射就可能不是各向同性的，而不像太陽那樣在各個方向上的輻射強度都是一樣的，在強磁場的條件下，它的輻射是成束狀的，脈衝星本身在轉動的就有可能會掃過我們地球，而我們的望遠鏡如果恰好就在它掃過的那個位置的話，就可以接收到明暗交替的脈衝圖樣，所以脈衝星實際上就是轉動的並且具有強磁場的中子星。

中子星在宇宙裡面是非常的特別，它有一系列的宇宙之最，譬如它體積最小，它的密度是最高的，它內部壓強也是最高的，它的磁場是目前已知所有天體裡面最強的，它的自轉速度是最快的，其中最快的中子星自轉周期甚至只有1毫秒左右，而且它這種轉動高度的穩定，所以它的守時性也是最佳的，未來我們去做星際航行的時候我們依靠的導航工具就是脈衝星。脈衝星還有一個特點就是它的空間運動速度在恆星裡面，也往往是最快的，因為這個原因實際上很多射電望遠鏡都以中子星或者說脈衝星作為重要的觀測目標。

圖解：脈衝星在併合中子星

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「中國·天眼FAST射電望遠鏡」

由於大量的射電望遠鏡的觀測，脈衝星的數量已經越來越多了，目前已經發現的脈衝星已經超過了2600顆，絕大部分是由外國的望遠鏡完成的，我們中國真正意義上發現的脈衝星還非常的少，在最近這幾年有一項重大的工程，就是「中國·天眼FAST射電望遠鏡」正式投入使用，這是一個口徑達到500米的射電望遠鏡，安放的地點在中國·貴州，確實「中國·天眼FAST射電望遠鏡」目前已經發現了新的脈衝星。

下面帶大家感受一下「中國·天眼FAST射電望遠鏡」的強大之處，為了更好感受這次的體現，請反轉手機：

「雙中子星」事件·「PSR B 1913+16」

在1974年還發生了一次重大事件，那就是「雙中子星」的發現，前面說到的中子星或者脈衝星其實都是單個的天體，「赫爾斯」和「泰勒」他們在觀測脈衝星的時候就發現脈衝信號會發生周期性的變化，這種變化跟譜線位移的周期性變化非常像，實際上反映了脈衝星本身在空間裡面是在運動的並且是做周期性運動的，通過這種周期性的變化就可以測量出那個未知的或者是看不見的另外一個天體的質量，它和這個脈衝星的質量是相當的，所以它們實際上是兩個中子星，只不過其中一個有脈衝信號，另外一個沒有觀測到脈衝信號，這個雙中子星系統叫做「PSR B 1913+16」。

通過對「PSR B 1913+16」更加細緻的長期觀測，它的軌道周期實際上是在變化的，隨著時間的推移它的軌道變得越來越小，但是變小的幅度是非常微弱的，每天只減少1cm，根據愛因斯坦的廣義相對論，當兩個中子星在相互繞轉的時候，它們會產生引力波，引力波會帶走這個雙星系統的能量和角動量，最終這兩個天體會發生併合，目前「PSR B 1913+16」它們正處於併合的前期，這就是為什麼它軌道會收縮的原因，赫爾斯和泰勒通過長期的監測發現它的軌道收縮的幅度跟廣義相對論的預言是精確地一致的，所以這是第1次間接地證實了廣義相對論關於引力波的預言，也正因為這個在1993年的時候這兩位科學家獲得了諾貝爾的物理學獎。

圖解：「赫爾斯」和「泰勒」觀測「PSR B 1913+16」的數據

「PSR B 1913+16」其實還要經歷非常長的時間才能夠發生併合，因為它們的軌道周期有7.75個小時，在2017年的時候探測到引力波事件是兩個中子星正在併合以及發生併合之後的過程，兩個中星併合之後可能會變成一個更大的中子星，也可能會坍縮成一個黑洞，在這個過程裡面會伴隨著一部分的物質被拋出來，這些拋出來的物質原來是中子星的一部分，所以裡面包含了大量的中子，也包括了很多的原子核，當中子和原子核在這種環境裡面發生相互作用的時候會形成更重的元素，這就是所謂的「快中子反應」，也就是中子會進入到原子核的內部，然後中子再變成質子，正是藉助快中子過程才形成了大量的金、銀、鈦等元素，這些元素的含量有相當大的成分就是通過雙中子星的併合才產生的。

圖解：「快中子反應」

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（黃媂）總結：元素的起源

各種元素形成的過程有來自於大爆炸的，也有來自於宇宙線以及雙中子星併合、大質量恆星、小質量恆星的演化以及恆星死亡時造成的超新星爆發過程，其實並不是每一種獨特的元素都有一個獨特的形成過程，除了一些像氫、氦等等這些比較輕的元素主要來自於原初的大爆炸之外，其它的元素往往有不同的來源，譬如鐵這樣的元素主要就是和恆星的死亡有關，而像金和銀這些元素主要是和中子星併合有關。

銀河系裡恆星的形成和死亡過程的元素合成是一個非常稀罕的物理過程，在銀河系裡面目前每年只產生3顆恆星，每50年才發生一次大質量恆星超新星爆發，也就意味著每50年才產生一個中子星，而雙中子的併合就更加稀有了至少每1萬年到100萬年才會發生一次。

正如著名的天文學家「桑德奇」所說：「生命是宇宙通過恆星演化創造的財富。」，而為了創造每一個人，宇宙花費了洪荒之力，在這個過程裡面經歷了極其複雜的過程，所以從這個意義上來講，我們每一個人都應該珍惜自己，也應該珍惜別人。

【作者：黃媂】

【編輯：黃姤】

【旁述：餘生】

【黃媂】【科普新星培訓營】95後女學員，今日頭條青雲計劃精選文章獲獎者。創作有關（天體生物學領域.太空生物學領域.科學.科技.科研.科普）的文章，歡迎點讚.評論.轉發.關注互相學習。

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