我國(guó)科學(xué)家郭守敬發(fā)現(xiàn)鋰元素豐度最高的巨星

日前，以中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)為首的科研團(tuán)隊(duì)依托國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)發(fā)現(xiàn)了一顆奇特天體，它“居住”在銀河系中心附近的蛇夫座，距離地球約4500光年。它的質(zhì)量不足太陽(yáng)的1.5倍，鋰元素含量卻是太陽(yáng)的3000倍。更重要的是，它是目前已知的鋰元素豐度最高的巨星。

發(fā)現(xiàn)富鋰巨星的示意圖

鋰元素為何備受關(guān)注?什么是富鋰巨星?它從何而來(lái)?這一發(fā)現(xiàn)又有何重要意義?帶著這些問(wèn)題，記者采訪(fǎng)了中科院國(guó)家天文臺(tái)閆宏亮博士。

由鋰元素引出的科學(xué)難題眾多

說(shuō)起鋰元素，大家應(yīng)該不陌生。它的原子結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，是化學(xué)元素周期表中的3號(hào)元素。金屬鋰呈銀白色，是密度最小的金屬，可以漂浮在水上。

日常生活中，我們常常可以看到鋰的身影。比如，手機(jī)、平板電腦、電動(dòng)汽車(chē)等都在使用鋰電池供電。此外，鋰元素還被大量應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍工等領(lǐng)域。

當(dāng)然，鋰不光出現(xiàn)在日常生活中，它也是天體物理中最受關(guān)注的元素之一。為何這么說(shuō)?“因?yàn)殇嚳梢杂脕?lái)追溯宇宙早期的一些信息，而且由它引出的科學(xué)難題實(shí)在是太多了!”閆宏亮說(shuō)。

閆宏亮從這些難題中歸納出主要的三個(gè)，并稱(chēng)其為：一“少”、一“多”、“先多后少”。

一“少”，即古老恒星中的鋰太少了。宇宙大爆炸產(chǎn)生了宇宙中最初的3種元素，分別是氫、氦和鋰，誕生于宇宙初期的第一代恒星保留了這些元素。粒子物理學(xué)家們通過(guò)計(jì)算，可以推斷每種元素究竟產(chǎn)生了多少。然而，從第一代古老恒星中實(shí)際觀(guān)測(cè)到的鋰含量與計(jì)算預(yù)期值并不吻合，只有計(jì)算預(yù)期值的1/3—1/2。

一“多”，即星際物質(zhì)中的鋰太多了。天文學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)星際物質(zhì)中鋰的含量(鋰與氫的比例)比大爆炸理論所預(yù)言的要高4倍左右。

閆宏亮說(shuō)：“這就很奇怪了，和恒星不同，星際物質(zhì)是存在于星系中的彌散物質(zhì)，因其自身特性，按理說(shuō)是無(wú)法產(chǎn)生鋰的，必須要借助宇宙射線(xiàn)的幫助。不過(guò)即使算上所有可能性，產(chǎn)量也不到星際物質(zhì)中鋰豐度的一半?！?/p>

“先多后少”，則是指按大爆炸理論，所有的恒星在誕生之初都是含鋰的，但演化到巨星階段(恒星的老年階段)時(shí)絕大多數(shù)的鋰會(huì)被消耗掉。

“可是，像我們此次發(fā)現(xiàn)的這類(lèi)富鋰巨星的存在卻無(wú)法用先前的理論來(lái)解釋。這是為什么?”閆宏亮說(shuō)。

為了解答由鋰元素引出的這些問(wèn)題，世界各國(guó)的科學(xué)家們一直在孜孜不倦地探索和前行。

富鋰巨星不符合標(biāo)準(zhǔn)恒星模型

恒星如同人類(lèi)一樣，有誕生、成長(zhǎng)、衰老和死亡的過(guò)程。而巨星階段是恒星暮年的開(kāi)始，幾乎每一顆恒星都要經(jīng)歷這樣一個(gè)階段。閆宏亮說(shuō)：“在標(biāo)準(zhǔn)恒星模型中，恒星在巨星階段會(huì)把自身的鋰元素‘消化’掉，成為一個(gè)在表面上幾乎探測(cè)不到鋰元素的天體。”

為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況?

閆宏亮進(jìn)一步解釋?zhuān)骸昂阈窃谶M(jìn)入巨星階段時(shí)會(huì)出現(xiàn)體積膨脹的現(xiàn)象，它的半徑一般會(huì)膨脹十倍或幾十倍。同時(shí)，它的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的對(duì)流，從而導(dǎo)致鋰從恒星表面被帶入恒星內(nèi)部。由于恒星內(nèi)部溫度非常高，鋰就被消耗掉了。所以說(shuō)，恒星在巨星階段鋰的含量應(yīng)該是呈幾十倍到上百倍減少的?！?/p>

這樣的理論在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)被認(rèn)為是正確的。直到1981年，天文學(xué)家喬治·沃勒斯坦和克里斯·斯奈登利用一架小型望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一顆特殊的恒星，它的光譜非常奇特，在本不該有譜線(xiàn)的地方發(fā)現(xiàn)了一條很強(qiáng)的鋰線(xiàn)。他們覺(jué)得這種現(xiàn)象極為罕見(jiàn)，也無(wú)法給出確切的解釋。這種特殊的天體很快便成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)，人們稱(chēng)其為富鋰巨星。

那么，神秘的富鋰巨星究竟是如何形成的呢?

閆宏亮說(shuō)：“關(guān)于富鋰巨星如何形成至今沒(méi)有定論，但主要有兩種理論猜測(cè)：一種認(rèn)為是恒星吞噬了自己的行星，‘霸占’了原本屬于行星的鋰元素;另一種則認(rèn)為這些鋰元素來(lái)自恒星內(nèi)部，巨星可以形成鈹?shù)耐凰?，而這種元素很容易衰變成鋰?！?/p>

閆宏亮認(rèn)為第一種猜測(cè)還是有一定道理的?！坝捎阡囋匾紫牡奶匦裕@種元素在行星中反而更容易穩(wěn)定存在。”至于第二種猜測(cè)，他認(rèn)為困難的地方在于如何讓形成的鋰元素不被恒星內(nèi)部的高溫所破壞?！斑@就需要一種運(yùn)輸方式將鈹這種原材料快速搬運(yùn)到恒星表面，讓其在比較低溫的區(qū)域變成鋰。但這又怎樣才能做到?”

富鋰巨星數(shù)量稀少，須借助海量數(shù)據(jù)才能發(fā)現(xiàn)

為了搞清楚富鋰巨星的來(lái)龍去脈，科學(xué)家們開(kāi)始搜集這類(lèi)天體樣本。然而，他們發(fā)現(xiàn)富鋰巨星的數(shù)量實(shí)在是太少了，大概只占巨星的0.5%—1%。

富鋰巨星的數(shù)量如此稀少，必須借助海量數(shù)據(jù)才能發(fā)現(xiàn)。我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的郭守敬望遠(yuǎn)鏡大規(guī)模巡天的開(kāi)展，為搜尋富鋰巨星提供了較大的便利。

閆宏亮說(shuō)：“LAMOST以每年超過(guò)百萬(wàn)光譜的速度進(jìn)行巡天觀(guān)測(cè)，我們希望能通過(guò)這些海量光譜數(shù)據(jù)尋找到富鋰巨星，然后進(jìn)行仔細(xì)的研究，從而揭示其自身鋰元素的來(lái)源之謎?！?/p>

閆宏亮介紹說(shuō)，科研人員在最初尋找富鋰巨星時(shí)主要是根據(jù)光譜。“因?yàn)楣庾V里都有譜線(xiàn)，每一種元素都會(huì)有相應(yīng)的譜線(xiàn)與之對(duì)應(yīng)。我們先找到有鋰元素譜線(xiàn)的光譜，然后看一下這些譜線(xiàn)的強(qiáng)弱，把鋰線(xiàn)很強(qiáng)的從中挑選出來(lái)。”

結(jié)果不負(fù)眾望。不久前，科研人員終于在LAMOST海量的光譜數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了一條罕見(jiàn)光譜，確定其來(lái)自于一顆鋰豐度異常高的恒星。

“在初步確定之后，科研人員又利用自動(dòng)行星搜尋者(APF)望遠(yuǎn)鏡對(duì)其進(jìn)行了跟蹤觀(guān)測(cè)”，閆宏亮說(shuō)，“因?yàn)長(zhǎng)AMOST光譜的數(shù)量非常多，但是分辨率相對(duì)比較低，不適合于針對(duì)某個(gè)恒星的細(xì)微觀(guān)測(cè)，所以只能借助其他分辨率更高的望遠(yuǎn)鏡?！?/p>

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的跟蹤觀(guān)測(cè)，科研人員發(fā)現(xiàn)這顆奇特恒星的質(zhì)量為太陽(yáng)的1.5倍，半徑約為太陽(yáng)的15倍，是一顆典型的巨星。接著，他們對(duì)其鋰豐度進(jìn)行了精確測(cè)量，發(fā)現(xiàn)這顆恒星絕對(duì)鋰豐度高達(dá)4.51，是目前已知的鋰豐度最高的巨星。

科研人員表示，這顆奇特恒星的發(fā)現(xiàn)刷新了人類(lèi)對(duì)天體中鋰豐度的認(rèn)知，將國(guó)際上富鋰巨星的鋰豐度觀(guān)測(cè)極限提高了一倍。

有了如此好的樣本，科研人員的研究也隨之又推進(jìn)了一步。

閆宏亮說(shuō)：“關(guān)于富鋰巨星如何形成的第二種猜測(cè)是鋰元素來(lái)自于恒星內(nèi)部，但如何把鋰帶到恒星表面一直沒(méi)有定論。尋找到這個(gè)樣本之后，我們進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明借助不對(duì)稱(chēng)對(duì)流，產(chǎn)生如此高的鋰是完全可能的?！?/p>

對(duì)此，閆宏亮打了個(gè)比方。“這種不對(duì)稱(chēng)對(duì)流就像是在恒星上安裝了兩種管道，一種是粗管道，一種是細(xì)管道。如果在固定的時(shí)間里流過(guò)相同量的物質(zhì)，細(xì)的管道流速一定更快。這些鈹元素就是通過(guò)這種快速管道迅速上升到恒星表層，進(jìn)而在那里形成了鋰?！?/p>

閆宏亮表示，這是我國(guó)科學(xué)家提出的獨(dú)樹(shù)一幟的新觀(guān)點(diǎn)，在一定程度上改變了人們對(duì)富鋰巨星的傳統(tǒng)認(rèn)知。

LAMOST光譜巡天還在繼續(xù)。接下來(lái)，人類(lèi)是否能夠發(fā)現(xiàn)鋰含量更高的天體?究竟是什么機(jī)制觸發(fā)了增強(qiáng)的不對(duì)稱(chēng)對(duì)流……這些還需要科學(xué)家們不斷去探索和發(fā)現(xiàn)。