人類文明開始萌芽時，閃閃發亮的金子就成為我們眼睛的焦點。由於美麗的外觀，穩定的化學性質，極高的開採難度，使黃金成為貨幣和珠寶的首選材料，如今用人力淘金都已成往事，只有機器才能把深藏在礦石中的那一丁點兒金子提取出來。
令人垂涎的金磚
為什麼黃金會如此稀少呢？因為它屬於“重元素”，質量數達到了197，那是相當的“重”！一般的科普文章告訴我們，重元素是在超新星爆發時被製造出來的，這話不能說有錯，但非常片面。實際上，除了超新星爆發外，紅巨星、超新星、中子星合併，甚至黑洞，都可以批量製造金元素，下面還是讓人馬君帶大家瞭解一下黃金的前世今生吧！（已經垂涎三尺了）
包含118種元素的元素週期表
元素在宇宙中的丰度
上面的元素週期表，包含了118種目前已知的元素，最後幾個元素甚至是最近幾年才發現的。元素如此之多，但在宇宙中的比例卻非常不平均。總體來說，越輕的元素丰度越高，越重的越低，在某些特殊的原子序數和質量數上還存在丰度的異常升高和下降。
太陽光球中的元素丰度曲線
宇宙大爆炸
在118種元素中，只有氫和氦，也就是1號元素和2號元素，是在宇宙大爆炸的最初幾分鐘形成的。當大爆炸剛剛發生時，沒有任何基本粒子存在，隨著宇宙逐漸冷卻，相繼出現了電子、正電子、中微子、反中微子，以及後來的質子和中子。隨著宇宙的進一步冷卻，質子和中子得以結合，而隨著中子向質子的轉化和衰變，中子的比例不斷下降，最終形成了質量百分比約24%的氦原子核（α粒子），其餘的是氫原子核（質子）和極少量的氘、氦3和鋰7，這一過程被稱為“核合成”時期。據推算，氦核是在大爆炸之後的3分46秒出現的。
大爆炸與宇宙膨脹
注意這時出現的只是原子核，而再經過幾百萬年的冷卻之後，原子核和電子才結合成為原子，形成了真正的氫、氦和鋰元素。在這之後漫長的40億年，宇宙中只有這三種元素。隨著宇宙的不斷膨脹和冷卻，氣體開始相互吸引，在引力下坍縮，形成了第一批恆星。當恆星開始核聚變，放出第一縷光芒時，五花八門的元素才終於登上了舞臺！
恆星在星雲中誕生
恆星中的元素合成
在恆星的主序星階段，星體核心進行著複雜的聚變反應，但最終的效果主要是四個氫核聚變成一個氦核，但是這些氦相比大爆炸產生的氦來說少之又少。而當恆星中心區域的氫耗盡之後，在引力作用下坍縮，中心溫度進一步升高，進入氦聚變階段，恆星也隨之演變為紅巨星。氦聚變在重元素的形成中扮演了極其重要的橋樑角色，是今天的宇宙如此多姿多彩的關鍵所在。
氦聚變的主要反應是3α反應，即三個氦核聚變成一個碳12，從碳開始，重元素開始“得道飛昇”，碳12吸收氦核後形成了氧16，這是一個分水嶺，一些質量比較小的恆星（小於1.44倍太陽質量），當氦燃料耗盡後，恆星進一步坍縮會受到簡併電子氣的抵抗，形成碳氧型白矮星，元素的製造也就到此為止了。而質量更大的恆星，簡併電子氣無法抵抗引力坍縮，中心溫度進一步提高，相繼出現了碳燃燒（聚變）、氧燃燒和硅燃燒（α粒子俘獲），再加上元素的光解反應，形成了氖、硫一直到鐵、鎳的各類元素。紅巨星已經是恆星演化的末期，行將毀滅，正是在這毀滅的過程中，構成地球萬物乃至我們身體的元素才逐漸形成，毀滅與創造，從來都是相輔相成的。
可是這些元素最多能構成石頭，而人馬君要的是金子！金子！所以不能就這麼完了，元素的合成還得繼續！
鐵族元素更是一個大分水嶺，當質量數比鐵、鎳更大時，原子核的平均結合能將隨著質量數的進一步增大而減小，因此，核聚變或α粒子俘獲反應將不再釋放能量，而變為吸能，通過聚變或α粒子俘獲已經不能克服庫侖斥力來形成更重的元素了。這時，另一種途徑進入了我們的視野：中子俘獲。由於中子不帶電，沒有庫侖斥力，原子核可以不斷吸收中子，唯一的問題是中子的來源。接下來，中子俘獲過程的兩大分支，s過程（慢過程）和r過程（快過程）隆重登場。
中子俘獲的s過程
在形成更重的元素時，中子成為是最關鍵的原材料。中子從哪裡來？氦聚變（3α反應）是沒有多餘的中子放出的，但是當碳、氖、鎂形成之後，情況發生了變化。紅巨星中心的α粒子濃度極高，出現了碳、氖、鎂等元素吸收α粒子後，釋放出一箇中子的反應。尤其是在第二、第三代恆星中，碳鎂等元素含量更高，釋放的中子更多。
有了自由中子之後，鐵元素可以通過持續的中子俘獲和隨後的β衰變來實現質量數和原子序數的增長。由於紅巨星的中子通量低，s過程非常緩慢，每俘獲一箇中子需要100年至10萬年。當然，越重的元素需要的時間越長。另外還存在著奇偶效應：原子序數和質量數均為偶數的元素比奇數元素更易形成，以及幻數效應：原子序數為幻數（例如50，82，126）時更易形成或留存。
紅巨星製造重元素雖然緩慢，但它數量龐大，元素形成的持續時間也比較長，最終形成了宇宙中一定比例的重元素。黃金的位置則比較尷尬，它的原子序數和質量數比較大，且不是偶數，更不是幻數，所以形成的量非常少。
s過程最高可以形成鉍209，再吸收中子就會開始循環，經過一系列不穩定的中間核素後，會回到鉛206和鉍209，因此，對於釷、鈾等更重的元素，s過程是無能為力的，這時，更激動人心的r過程開始出現。
中子俘獲的r過程
當大質量恆星中心的能夠聚變的元素都消耗完之後，輻射壓消失，巨大引力導致坍縮和爆炸，這就是我們耳熟能詳的超新星爆發。
如果恆星質量超過8個太陽質量的話，星體中心的電子被壓進了原子核，與質子結合，形成了中子，中子簡併壓能夠抵抗引力，於是形成了中子星。與此同時，恆星外殼被炸了個粉碎，拋向太空形成了星雲，成為下一代恆星的誕生地。
正是在爆炸的幾秒鐘，巨量的中子被釋放出來，較輕的原子核沐浴在中子的海洋之中，能夠在短時間內俘獲許多箇中子，伴隨著β衰變，形成一系列更重的元素，其中當然包括金，以及更重的超鈾元素，至此，元素大家庭算是齊活了！
但是，r過程雖然快，也是需要時間的，在超新星爆炸的極短時間內，同樣是越重的元素合成的越少。人們發現，單靠超新星爆發形成的重元素遠遠不足以說明重元素在宇宙中的丰度，還有大量的金子不知道從哪裡來的！
中子星合併
神秘的小金庫藏在哪裡呢？隨著天文學和物理學研究的不斷深入，一種能引發時空漣漪（引力波）的事件浮出水面——中子星合併。在宇宙中，雙星系統非常常見，甚至太陽系都有可能是雙星（想象中的伴星被稱作“復仇女神”）。大質量恆星當然也不例外，當雙星的兩顆恆星都成為中子星後，依然在互相繞行旋轉。如果按照牛頓力學，它倆的“二人轉”就要天長地久了，但是廣義相對論指出，這樣的雙星系統會以引力波的形式損失能量，因此它們會互相靠近，直到合併，合併過程被稱為“巨新星”。
中子星合併的計算機模擬
雙中子星的合併過程會噴射出大量的中子星物質，這些幾乎是純中子的物質在失去強引力環境後極不穩定，會迅速衰變，瞬間產生了大量的各種原子序數和質量數的元素，並且沒有由輕到重一步步結合的限制。因此，黃金這種比較重的元素產生比例大大增加，一個超大的金礦誕生了，金塊沒準比木星還大，人馬君眼睛裡放出了金色的光芒！
重元素中子星合併時形成
坍縮星
但是這還沒完，要出現兩顆星都演化為中子星的雙星系統，本身概率就比較低。即使存在，兩顆恆星變成中子星，再等到它們合併，需要經過一段極為漫長的時間，由此推算出的重元素產量還是與實際丰度有很大的差距，尤其在宇宙形成的早期，不太可能出現中子星合併，但卻有多的不合常理的重元素存在。
2019年，《自然》雜誌一篇論文通過計算機模擬指出，宇宙中80%的重元素來自坍縮星形成的黑洞吸積盤。所謂坍縮星，是指超大質量恆星在超新星爆發後，核心坍縮形成了黑洞，周圍則形成了吸積盤。
黑洞與吸積盤
在黑洞形成的早期，由於中微子冷卻的作用，吸積盤具有特殊的狀態，導致質子與電子結合，形成了中子大量富餘的環境，非常適宜發生r過程，而吸積盤直徑很大，又可以存在比較長的時間，這期間會生產出大量重元素，並被部分拋射到星際空間。模擬結果顯示，一顆坍縮星可以製造30倍於中子星合併的重元素，可能貢獻了宇宙中r過程元素的80%，產能相當的給力啊！
至此，黃金的身世算是講完了，真相實在太複雜，人馬君都覺得有點兒口乾舌燥……但細心的讀者仍然會發現，在宇宙元素丰度圖上，黃金的比例也不算特別的低呀，為什麼在地球上就這麼少呢？
地球表面的元素丰度
這是因為黃金很重，地球上的黃金大部分都沉在地核裡，只有很少一部分黃金通過火山噴出地表，進入地殼，變成金礦，成為人見人愛的“貴金屬”。
閱讀更多 人馬座A 的文章
