刷屏的中子星并合是什么？一次甩出重达300个地球的黄金

北京时间10月16日22时，全球各大天文台一起刷屏。被“重磅预警”吊足了胃口的读者，发现并不是找到了外星人的存在，而是“双中子星并合产生的引力波，及其光学对应体”。中子星是什么？引力波是什么？光学对应体又是什么？最重要的是，这和日常生活有什么关系？

中科院紫金山天文台工作人员展示2017年8月18日南极巡天望远镜AST3-2观测窗口期观测引力波光学对应体模拟演示图片。新华社图

如果一定要说和我们的日常生活最紧密的联系——那就是，科学家们这次证实了，中子星并合，是宇宙中比铁还重的元素的起源，比如我们熟悉的金子。换句话说，中子星并合，是宇宙的大型炼金炉！

宇宙中的金子，从何而来？

长久以来，科学家们都无法确定宇宙中的金、铂、铀等重元素从何而来。

宇宙早期只有氢、氦等氢元素，一颗恒星的命运就从这里开始。在恒星随后的演化过程中，随着核聚变反应，质子数更高的重元素得以生成。然而，宇宙天然的核聚变，最重只能产生到包含26个质子的铁元素。这是因为，铁元素的核子结合能到达了一个顶峰，把其中的质子和中子拆开，需要极高的能量，恒心内部这个“炼金炉”，并不能满足。

科学家们一度认为，恒星寿命末期的超新星爆炸，足够提供这种能量。然而，这个假设逐渐被后续的发现击破。

宇宙需要一个更大、更热的炼金炉。

在过去几年间，天文物理学家们开始形成主流认识：中子星并合是最有说服力的机制。

中子星的密度有多大？一茶匙重达10亿吨

当一个恒星走向寿命尽头，经由引力坍缩发生超新星爆炸，根据质量的不同，内核可能被压缩成白矮星、中子星或黑洞。中子星几乎完全由中子构成，是目前已知的最小、致密的恒星。中子和质子一样，都是组成原子的粒子，但呈电中性，比质子略大。

中子星的半径普遍在10公里左右，质量却可超过两个太阳。一茶匙中子星物质就重达10亿吨。

1933年，人类发现了中子。次年，美国物理学家沃尔特·巴德（Walter Baade）和瑞士弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）提出了中子星的假设。

1967年，24岁的剑桥大学女研究生乔斯林·贝尔（Bell）从射电望远镜中发现了一些有规律的脉冲信号。这类新的天体后来被命名为脉冲星，其实，它们本质上是高速旋转的中子星，在旋转过程中周期性地发射出电磁波。

中国贵州“天眼”射电望远镜近日成功捕获到了脉冲星信号，标志着中国进入脉冲星观测俱乐部。

两颗中子星围绕共同的中心旋转，就构成了一个双中子星系统。它们在旋转过程中会不断释放引力波，导致系统的能量降低，轨道缩小，并最终撞在一起，发生并合。科学家们现在还不确定并合后的形态，很可能是一个黑洞。

并合：电光石火，金银迸溅

超铁元素就诞生在此时。双中子星并合过程中，不断甩出一些中子星碎块——大部分是中子，少数是质子。

在碰撞发生的一秒钟内，这些中子星碎块扩散到数十公里开外，形成一团与太阳密度相当的云。在这个“炼金炉”中，中子和质子们互相俘获，形成大量富含中子的不稳定的同位素。中子会迅速衰变为质子，形成金等重元素。

据估计，中子星的一次碰撞，能够形成足有300个地球那么重的黄金。这些“宇宙焰火”的余烬，被撒入广袤无垠的宇宙，其中一部分在46亿年前与地球凝为一体。它们又被开采锻铸，成为人类手中的金币，项上的首饰……

这次为中子星并合形成重元素提供重要佐证的，就是并合后的光点颜色由蓝变红，与理论模型预测相吻合。

“宇宙焰火”的余晖

这个越来越红的光点，就来自“光学对应体”：Li-Paczynski macronova(巨新星)。

该现象由1998年首次预言的中国天文学家、北京大学教授李立新及其已故的合作者Bodhan Paczynski命名。

2010年，普林斯顿大学的Metzger与合作者发现该现象的亮度能达到新星的1000倍左右，因而也被称为“千新星”。

除了可见光和红外线外，中子星并合时形成的吸积盘会在旋转轴处形成伽马短暴，该信号在引力波到达地球2秒钟之后也被观测到。在其后数周内，这场大并合仍会继续发出其他频段的光，包括X射线、紫外线、可见光、红外线以及射电波等，是“宇宙焰火”漫长的余晖。

回到事件的开头。在这场“炼金”的“宇宙焰火”中，引力波扮演了怎样的角色呢？

原来，前面提到的可见光、红外线、紫外线、X射线、伽玛射线等，都是电磁波，是由光子承载的光学信号。长期以来，这几乎是科学家们用于感知宇宙的唯一一扇窗口。

而引力波是由质量引发的时空扭曲，被人形象地比喻为“时空的涟漪”。当我们想象一件有质量的物体落入水面，就会产生一系列振动传播看来。我们的宇宙也如水面一般，整体平静，暗流汹涌，质量的扰动会触发引力波，散播开来。中子星并合事件，就能产生较为强烈的引力波。

引力波是爱因斯坦广义相对论中的重要推论，然而，因宇宙中传到地球的引力波过于微弱，爱因斯坦本人也想不到探测的方法。这个“时空的涟漪”，最终在2015年由LIGO团队实现。

LIGO过去4次观测到的引力波，均由黑洞触发。黑洞吸收光线，可谓“听到看不着”。这次，LIGO在识别出比黑洞质量小得多的天体——中子星触发的引力波信号后，全球70多架望远镜纷纷指向1.3亿光年外的NGC 4993星系，观看“焰火”。

从此，人类对浩瀚宇宙的感知方式，从单纯的“看”之外，又增添了一种，可相互印证。科学家们称之为，“多信使天文学”时代。

这或许比我们找到金子的起源更为重要。