宇宙黃金來自磁星？ 20年前資料解謎

黃金等貴重金屬因為稀有而價格昂貴，成為人們投資和收藏的熱門目標之一。是否曾想過，地球上乃至整個宇宙的黃金，如何產生？來自何方？

美國國家航空暨太空總署（NASA）網站日前發文表示，宇宙大爆炸以來，早期宇宙存在氫、氦和少量的鋰。後來，鐵等較重的元素在恆星中鍛造出來。但天體物理學最大謎團之一：第一批比鐵還重的元素，如黃金，是怎麼產生的，又是如何分布在宇宙中？

「這是宇宙中複雜物質起源的根本問題，」哥倫比亞大學（Columbia University）博士生帕特爾（Anirudh Patel）說。「這是個有趣的謎題，到現在都還沒解開。」

磁星閃焰vs.銀河系重元素

帕特爾主導一項研究，透過20年前、NASA和歐洲太空總署（ESA）望遠鏡觀測資料，發現重元素大量來源的證據：來自磁星（高度磁化的中子星）的閃焰（flare）。研究成果已發表在《天體物理學期刊快報》（The Astrophysical Journal Letters）。

研究人員估計，銀河系重元素（比鐵還重）總量，其中10%可能是磁星的巨大閃焰產生的。由於磁星在宇宙較早期就已經存在，第一批黃金很可能就這樣誕生了。

研究共同作者、路易斯安那州立大學（Louisiana State University）天體物理學家伯恩斯（Eric Burns）表示，這項研究利用幾乎被遺忘的檔案資料，解開了一個世紀之謎。

黃金在磁星閃焰中誕生？

中子星是恆星爆炸後塌縮形成的核心，密度極高，在地球上一茶匙的中子星物質重達10億噸。而磁星是具有超強磁場的中子星。

磁星在罕見情況下，會釋放大量的高能輻射，通常發生在類似地震的「星震」期間，也就是中子星外殼出現裂縫的時候。星震有時會伴隨強烈輻射爆發，稱之為磁星巨大閃焰，這種爆發甚至會影響地球大氣層。

帕特爾與研究團隊一直在思考，磁星巨大閃焰釋放的輻射，是否與重元素的生成有關。這種形成方式可能是透過一種「快速過程」：中子迅速撞擊較輕的原子核，進而鍛造出較重的元素。

在元素週期表中，原子核內的質子數（原子序）決定元素的特性，擁有同一原子序的原子屬於同一化學元素。例如：氫有一個質子，氦有兩個，鋰有三個……原子核內也有中子，中子不會影響元素的特性，但會增加原子的質量。

當原子捕捉到額外的中子後，會變得不穩定，進而發生核衰變過程，將中子轉化為質子，讓原子在元素週期表上的位置往前移動，如金原子捕捉到中子後，可能轉變成汞。

在中子星被擾動的特殊環境中，由於中子的密度極高，會發生更奇怪的現象：單一原子快速捕獲大量中子，接著經歷多次衰變後，形成像鈾等更重的元素。

天文學家2017年觀測到兩顆中子星發生碰撞，並證實這樣的事件可能產生黃金、鉑和其他重元素。但在宇宙歷史上，中子星合併事件發生的時間點太晚，無法解釋最早的黃金和其他重元素從何而來。

最新研究顯示，宇宙中的黃金可能是磁星閃焰形成的。此為藝術家繪製的示意圖。（NASA/JPL-Caltech）

20年前舊資料 扒出新線索

這篇新研究的共同作者、布拉格查爾斯大學（Charles University）的塞哈拉（Jakub Cehula）、俄亥俄州立大學（Ohio State University）的湯普森（Todd Thompson）以及哥倫比亞大學教授梅茲格（Brian Metzger）的近期研究發現，磁星閃焰能夠加熱及高速噴發中子星外殼的物質，讓磁星成為重元素的可能來源。

梅茲格和研究團隊一開始認為，磁星產生、釋放重元素的過程，應該會出現可見光和紫外光波段，並根據這個假設發表預測結果。但伯恩斯好奇：會不會也有夠亮的伽馬射線訊號可以被偵測到？他請梅茲格和帕特爾查看，結果發現可能存在這樣的訊號。

伯恩斯查閱2004年12月磁星巨大閃焰的伽馬射線資料。他發現，雖然當時科學家已經解釋了這次爆發的前段訊號，但他們也在ESA的觀測資料中，辨識出磁星釋放的另一段較小訊號。而這段訊號竟然跟他們團隊模型預測出來的訊號高度吻合。也就是二十多年前觀測到的伽馬射線訊號，其實就是磁星巨大閃焰形成重元素時所釋出的。

NASA即將推出的康普頓成像光譜儀（Compton Spectrometer and Imager）任務，可以接續這項研究。COSI這座廣角伽馬射線太空望遠鏡將於2027年發射升空，用於研究宇宙中的能量現象，如磁星巨大閃焰。

研究人員也將挖掘其他檔案資料，看看其他磁星巨大閃焰的觀測結果中，是否也隱藏著祕密。◇