許多元素週期表中的重元素（如黃金、鉑金以及鈾）的起源，始終困擾著科學家。通過對遙遠恆星的觀測，科學家們終於發現了它們誕生的過程，原來它們是垂死恆星坍縮成黑洞過程的產物。

作者| 小小

出品| 網易科技《知否》欄目組

圖：垂死的恆星會逐漸坍縮成黑洞，這個過程會促使恆星兩極產生伽馬射線暴，並引發恆星外層氣體爆炸，而黃金可能是新生黑洞首次“進食”時留下的殘渣

這類恆星又被稱為坍縮星（collapsars），當恆星的生命走向終結時，它們周圍的氣體層會發生爆炸。這種坍縮和爆炸會在每個新生黑洞周圍留下龐大的物質盤。當黑洞開始吞噬周圍的物質時，就會為黃金、鉑金以及其他重元素的形成創造合適條件。

美國哥倫比亞大學天體物理學家布賴恩·梅澤爾（Brian Metzger）說：“在這些極端環境下形成的黑洞都是挑剔的食客。它們每次能吞噬物質數量有限，無法吞噬的東西會被風吹走。這種風中含有很多中子，即沒有電荷的亞原子粒子，這為重元素的形成創造了合適的條件。”

烹飪元素

梅澤爾的團隊始終在試圖尋找一個古老問題的答案，即像黃金這樣的宇宙中最重元素到底來自哪裡？

天文學家知道，某些元素是在恆星內部形成的，當瀕死的恆星發生爆炸時，這些元素就會被噴向太空。這些元素包括碳、氧和鐵，科學家稱它們為輕元素，因為它們的質量比黃金和鉑金等輕要輕得多。

由於恆星不能製造比鐵更重的元素(如黃金和鉑金)，因此要得到這些重元素，必須有很多中子。它們必須緊緊地擠在一起，並創造出一種極端環境。在它裡面，原子的中心（原子核）大量吸收中子，並因此變得極不穩定。

為了保持穩定，原子核會經歷放射性衰變。而在衰變過程中，中子會變成質子，這就會形成新的元素。天體物理學家把這個反應鏈稱為“r反應”。科學家們曾懷疑，當兩顆恆星相撞時，就會出現這樣的元素。具體來說，當撞擊涉及到兩顆死亡的中子星時，就能產生重元素。

兩年前就有確鑿證據證明顯示，兩顆中子星碰撞所產生的波可以拉伸和擠壓時空，導致空間結構發生變化，天文學家稱這種波為引力波。研究表明，中子星確實噴發出了包括金、銀和鉑在內的重元素。

但是，對中子星理論的解釋也有其不足之處，因為密度高的死亡恆星需要很長時間才能碰撞。然而，在形成於宇宙早期的古代恆星中也存在著重元素。目前，科學家們還不清楚在宇宙早期是否發生了中子星碰撞。

古老黑洞

那麼，如果當時沒有發生中子星碰撞，重元素是如何產生的？科學家們認為，宇宙早期可能有旋轉的恆星坍縮成黑洞，這一過程可能會大量製造重元素。

單顆恆星坍縮可能產生相當於30倍中子星碰撞時的“r反應”物質，進而產生超過地球質量數百倍的黃金。因此，由r-反應產生的元素中，有80%可能是恆星坍縮帶來的，而剩下的部分則是中子星碰撞產生的。

梅澤爾等人的研究為2016年矮星系Reticulum II的發現提供了新線索，這個星系的恆星富含重元素。這意味著，數十億年前銀河係發生了某種災難，產生了所有這些重元素。科學家們曾認為，古老的中子星碰撞事件為這個星系播下了重元素的種子。但是現在，恆星坍縮顯然提供了另一種可能。

麻省理工學院天體物理學家、2016年關於Reticulum II研究的合著者安娜·弗雷貝爾（Anna Frebel）說：“這非常令人興奮，中子星碰撞很少見，所以這感覺有點兒像我們中了彩票。但坍縮星更為罕見，它只有中子星碰撞機率的1/10。因此，如果坍縮星是重元素產生的根源，那麼感覺好像我們中了兩次彩票。”

目前還不清楚恆星坍縮現像是否頻繁發生，以及是否足以解釋整個宇宙中所見重元素為何如此豐富的原因。未來對坍縮爆炸餘波的觀測可能會有所幫助，這可以幫助確定恆星坍縮在形成這樣的星係時發揮的作用。觀測結果還可能揭示，恆星坍縮是否真的給宇宙帶來了大量的重元素。