人类的存在归功于引力波？|中子星|宇宙|引力波|恒星|铁核

人类的出现居然源自引力波？提出这个猜想的科学家以《Do we Owe our Existence to Gravitational Waves?（我们的存在是否归功于引力波？）》为题发表了论文，认为没有引力波就可能真的没有人类，而且现在地球的环境也可能不像今天这么舒适。

神奇的“老铁”

在上期《电脑报》中我们刚刚讨论了元素周期表是否有尽头，目前元素周期表中刚好有7个周期118种元素。世界上最具科研能力的国家都在向着发现119号元素作努力，目前想要合成出93号元素（93号以后的元素在地球的自然界中找不到）以后的各种重元素都需要花费能量，越重的元素合成需要的能量越大。

其中26号铁元素非常特殊，在众多有关宇宙最终结局的猜想中，热寂说就认为宇宙最终只能剩下铁元素。这种假说根据熵增原理，认为经过漫长的时间后，由于宇宙的膨胀导致宇宙的平均温度接近绝对零度，根据霍金理论到那时最大质量的黑洞也能通过量子效应蒸发消失，宇宙中所有物质都达到了能量的均匀分布，任何地方之间的能量差异都不足以传递热能或信息，宇宙中只剩下冰冷的铁块。

为啥只剩下铁元素呢，这是因为在所有元素中，铁的核结合能最高，不管是两种轻元素在重力作用下发生核聚变产生更重的元素，或者更重的元素以衰变的形式放出能量变成更轻的元素，这两种过程的终点都是铁元素。当核聚变到达铁元素以后就无法继续释放能量来支持恒星的进一步聚变了。所以用“老铁”形容牢固、稳定还是很有科学道理的。

不过现在更多科学家不认为宇宙会这样简单地结束，针对宇宙的终结他们还提出了大撕裂、大坍缩、坍缩循环等假说。

“千新星”产生比铁更重的元素

那么地球上那些比铁还重的元素是从哪里来的呢？它们来自很久以前各种不同的宇宙事件，目前认为最大的可能是来自“千新星”爆发。

宇宙大爆炸初期，产生大量氢和氦以及痕量的锂，这被称为“大爆炸核合成”。随后这些元素在引力作用下坍缩成为宇宙中第一批恒星，它们就是宇宙中的重元素工厂。不同质量的恒星有不同的结局，比如我们的太阳这类质量较小的恒星最终会变成白矮星。

只要恒星的质量是太阳的8倍以上，它们的引力就能让氢一路聚变到26号的铁，随后聚变停止铁核坍缩，恒星在超新星爆发中死亡。构成生命最基本的碳、氢、氧、氮就是在这一过程中大量生成的。

在超新星爆发的过程中，恒星的核心会崩溃成为一个极其密集的物体，这就是我们熟知的中子星或黑洞。这个过程中会将大量铁核喷射到宇宙中，形成铁行星，比如我们的地球。

科学家现在认为更重的元素有主要来自“千新星”爆发中的“R－过程”。“千新星”理论非常新，是2010年由 Metzger 等人提出，他们认为当两个致密天体（两个中子星或中子星与黑洞）合并时，会向宇宙中抛射大量物质同时释放大量高能中子发生“R－过程”，这个过程会发出高能短伽马射线暴和强电磁辐射，因此能被天文学家容易观测到。由于科学家预计这种现象在观测仪器中的峰值亮度是经典新星爆炸的1000倍，所以起名“千新星”。

这项理论很快就被证实，在2013年哈勃望远镜观测到的短伽马暴GRB130603B事件和2017年GW170817号双中子星合并事件中，天文学家不单看到了星空中明亮的闪光，还观测到合并时产生的引力波及对应高能电磁波。

“R－过程”被也叫“快中子捕获过程”，当两个中子星合并时，在局部空间内温度可以高达10亿开尔文，每立方厘米空间内拥挤着10到24个高能中子，由于中子不带电荷，它们能比带正电荷的质子更容易进入原子核。

由于此时中子密度足够高，铁核在这种情况下可以连续捕获这些中子，即原子核在两次中子俘获之间没有时间进行β衰变。这时原子的质量数会大幅增长，而原子序数不变（核素种类保持不变）。在这一过程之后，其产生的高度不稳定原子核发生β衰变，转变成具有更高原子序数、稳定或者不稳定的原子核。这个过程能在几秒内产生金、铂、铀、钚一类比铁重得多的元素。

与“R－过程”相对的还有一种“S-过程”被称为慢中子捕获。一些科学家认为那些比铁稍重的元素可能是在红巨星中通过铁原子核俘获慢中子的过程中生成的，这些铁核每100年到10万年能捕获1个中子，在恒星漫长的寿命中，恒星中一部分铁就会转变成更重的元素，不过理论上这种“S-过程”产生的重元素特别是原子序数大于35的元素不会太多。

总的来说，科学家认为元素周期表中大部分元素，特别是较重的元素，来自千新星爆发及其引发的“R－过程”。

生物息息相关的重元素

人体主要由氢、碳和氧和其他少量元素组成，科学家认为有20种元素对生命至关重要。其中大多数元素的原子序数小于35，是由超新星产生。然而有两种比较重的元素也是人体必需的，它们是53号碘和35号溴。

碘对人体的影响众所周知，三碘甲状腺原氨酸和四碘甲状腺原氨酸是甲状腺摄取和合成的激素，对人体的生长发育、新陈代谢、神经系统和心血管系统等功能都有重要影响。

溴不那么有名，但一样不可或缺，它负责人体组织发育和体内整体结构。溴离子还是形成基底膜组织所必需的要素。基底膜是位于上皮组织下的一层结缔组织结构，分隔表皮层与真皮层。它是皮肤基底细胞、表皮干细胞的基盘，这层膜具有交换和机械屏障作用，控制着皮肤的新陈代谢。肾血管球的基底膜还是血液滤过的重要屏障，能阻止大分子物质滤出。

此外42号元素钼是四种重要酶的组成成分，它1953年才加入人体必备元素清单。

引力波诱发千新星

那么引力波又如何对重元素产生影响呢？根据广义相对论两颗中子星相互环绕的时候会搅动空间产生引力波，而引力波的辐射会带走中子星的轨道能量，最终两颗中子星越来越近导致千新星爆发。根据计算如果没有引力波，中子星或黑洞就很难合并，而没有千新星爆发过程中的“R－过程”，宇宙中比铁更重的元素，特别是原子序数大于35的元素丰度会非常非常低，像碘、金、汞这类比较重的元素甚至不会存在。

研究人员根据“R－过程”的相关理论计算了一些原子序数大于30的元素在千新星中形成的比例，并与地壳实测的元素丰度做对比，发现两者的比例几乎一致，也就是说地球上大部分重元素都来自两颗中子星合并的过程，从这个意义上来说，我们都是“星星的孩子”。比如地球上96%的碘极有可能是“R－过程”的结果。而溴、铀、钍也基本来自千新星。

铀和钍是放射性元素，不能直接参与生命活动，但它们的衰变加热了地球的核心，让地球没有像火星一样冷却，这给了所有地球生命一个稳定发展的机会，对当前地球的整体环境有着重要的影响。看来人类可能真的是数十亿年前宇宙引力波微小涟漪的结果。世界真奇妙。

根据r过程预测的元素丰度（实线）与地球实测元素丰度（虚线），其中溴、碘、钍和铀与生命关系密切。

人择原理？

这篇论文的论证过程就是人类必须一些特别的重元素才能生存，这些重元素存在就说明中子星合并必然已经发生，而引力波是中子星合并的加速器，因此人类的存在归功于引力波。这篇论文的论证很有点“人择原理”的味道。

“人择原理”全称是“人择宇宙学原理”，这个看似唯心的理论试图回答人类存在的终极问题。认为正是人类存在，宇宙中包括各种基本自然常数在内的种种特征才能处于现在这种不可思议的平衡状态。因为如果宇宙不是刚好这个样子，就不会有智慧生命来讨论它。这项理论最真实的成果就是预言了碳-12存在激发态，因为那位科学家发现碳-12必须存在激发态才能有人类。