中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鋰元素豐度最高的巨星

發(fā)現(xiàn)富鋰巨星的示意圖。中國科學(xué)院國家天文臺供圖

日前，以中國科學(xué)院國家天文臺為首的科研團隊依托國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠鏡（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)量不足太陽的1.5倍，鋰元素含量卻是太陽的3000倍。更重要的是，它是目前已知的鋰元素豐度最高的巨星。

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

由鋰元素引出的科學(xué)難題眾多

說起鋰元素，大家應(yīng)該不陌生。它的原子結(jié)構(gòu)非常簡單，是化學(xué)元素周期表中的3號元素。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、平板電腦、電動汽車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？“因為鋰可以用來追溯宇宙早期的一些信息，而且由它引出的科學(xué)難題實在是太多了！”閆宏亮說。

閆宏亮從這些難題中歸納出主要的三個，并稱其為：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)家們通過計算，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際觀測到的鋰含量與計算預(yù)期值并不吻合，只有計算預(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：“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，按理說是無法產(chǎn)生鋰的，必須要借助宇宙射線的幫助。不過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。”

“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）時絕大多數(shù)的鋰會被消耗掉。

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

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

富鋰巨星不符合標準恒星模型

恒星如同人類一樣，有誕生、成長、衰老和死亡的過程。而巨星階段是恒星暮年的開始，幾乎每一顆恒星都要經(jīng)歷這樣一個階段。閆宏亮說：“在標準恒星模型中，恒星在巨星階段會把自身的鋰元素‘消化’掉，成為一個在表面上幾乎探測不到鋰元素的天體。”

為什么會出現(xiàn)這種情況？

閆宏亮進一步解釋：“恒星在進入巨星階段時會出現(xiàn)體積膨脹的現(xiàn)象，它的半徑一般會膨脹十倍或幾十倍。同時，它的內(nèi)部會產(chǎn)生很強的對流，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，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。”

這樣的理論在很長一段時間內(nèi)被認為是正確的。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，在本不該有譜線的地方發(fā)現(xiàn)了一條很強的鋰線。他們覺得這種現(xiàn)象極為罕見，也無法給出確切的解釋。這種特殊的天體很快便成為大家關(guān)注的焦點，人們稱其為富鋰巨星。

那么，神秘的富鋰巨星究竟是如何形成的呢？

閆宏亮說：“關(guān)于富鋰巨星如何形成至今沒有定論，但主要有兩種理論猜測：一種認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；另一種則認為這些鋰元素來自恒星內(nèi)部，巨星可以形成鈹?shù)耐凰?，而這種元素很容易衰變成鋰。”

閆宏亮認為第一種猜測還是有一定道理的。“由于鋰元素易消耗的特性，這種元素在行星中反而更容易穩(wěn)定存在。”至于第二種猜測，他認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。“這就需要一種運輸方式將鈹這種原材料快速搬運到恒星表面，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龍去脈，科學(xué)家們開始搜集這類天體樣本。然而，他們發(fā)現(xiàn)富鋰巨星的數(shù)量實在是太少了，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)。我國自主設(shè)計建造的郭守敬望遠鏡大規(guī)模巡天的開展，為搜尋富鋰巨星提供了較大的便利。

閆宏亮說：“LAMOST以每年超過百萬光譜的速度進行巡天觀測，我們希望能通過這些海量光譜數(shù)據(jù)尋找到富鋰巨星，然后進行仔細的研究，從而揭示其自身鋰元素的來源之謎。”

閆宏亮介紹說，科研人員在最初尋找富鋰巨星時主要是根據(jù)光譜。“因為光譜里都有譜線，每一種元素都會有相應(yīng)的譜線與之對應(yīng)。我們先找到有鋰元素譜線的光譜，然后看一下這些譜線的強弱，把鋰線很強的從中挑選出來。”

結(jié)果不負眾望。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)了一條罕見光譜，確定其來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行星搜尋者（APF）望遠鏡對其進行了跟蹤觀測”，閆宏亮說，“因為LAMOST光譜的數(shù)量非常多，但是分辨率相對比較低，不適合于針對某個恒星的細微觀測，所以只能借助其他分辨率更高的望遠鏡。”

經(jīng)過進一步的跟蹤觀測，科研人員發(fā)現(xiàn)這顆奇特恒星的質(zhì)量為太陽的1.5倍，半徑約為太陽的15倍，是一顆典型的巨星。接著，他們對其鋰豐度進行了精確測量，發(fā)現(xiàn)這顆恒星絕對鋰豐度高達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)刷新了人類對天體中鋰豐度的認知，將國際上富鋰巨星的鋰豐度觀測極限提高了一倍。

有了如此好的樣本，科研人員的研究也隨之又推進了一步。

閆宏亮說：“關(guān)于富鋰巨星如何形成的第二種猜測是鋰元素來自于恒星內(nèi)部，但如何把鋰帶到恒星表面一直沒有定論。尋找到這個樣本之后，我們進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明借助不對稱對流，產(chǎn)生如此高的鋰是完全可能的。”

對此，閆宏亮打了個比方。“這種不對稱對流就像是在恒星上安裝了兩種管道，一種是粗管道，一種是細管道。如果在固定的時間里流過相同量的物質(zhì)，細的管道流速一定更快。這些鈹元素就是通過這種快速管道迅速上升到恒星表層，進而在那里形成了鋰。”

閆宏亮表示，這是我國科學(xué)家提出的獨樹一幟的新觀點，在一定程度上改變了人們對富鋰巨星的傳統(tǒng)認知。

LAMOST光譜巡天還在繼續(xù)。接下來，人類是否能夠發(fā)現(xiàn)鋰含量更高的天體？究竟是什么機制觸發(fā)了增強的不對稱對流……這些還需要科學(xué)家們不斷去探索和發(fā)現(xiàn)。