天文學(xué)家通過恒星監(jiān)測恒星的心跳和分析它們的光譜揭秘富鋰巨星的真實(shí)身份。圖片來源：喻京川/北京天文館

說到鋰元素，現(xiàn)代人并不陌生，無論是智能手機(jī)、平板電腦，還是無人機(jī)、電動(dòng)汽車，都在使用鋰電池供電。但這個(gè)現(xiàn)代感十足的元素其實(shí)幾乎和宇宙一樣古老。

鋰元素是宇宙中最早產(chǎn)生的元素之一，宇宙中有一種被稱為富鋰巨星的天體，它們鋰元素的含量超過恒星演化理論值的上千倍。針對這些天體中的鋰是如何產(chǎn)生的，天文學(xué)家一直在努力尋找答案。

近日，《自然—天文》雜志發(fā)布了一項(xiàng)由我國天文學(xué)家主導(dǎo)的國際科研團(tuán)隊(duì)關(guān)于富鋰巨星真實(shí)身份的重要成果。通過監(jiān)聽恒星的“心跳”，研究人員發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)富鋰巨星并不是傳統(tǒng)上所認(rèn)為的紅巨星。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的恒星演化理論，對最終解開鋰元素的起源之謎至關(guān)重要。

14億輛特斯拉的星際旅行

鋰元素在宇宙誕生后的20分鐘內(nèi)就出現(xiàn)了，作為構(gòu)成當(dāng)今物質(zhì)宇宙的基本元素之一，它連接了宇宙的過去與現(xiàn)在。但是，鋰元素在宇宙中很多天體內(nèi)的含量卻與理論表現(xiàn)出較大差異，一直困擾著天文學(xué)家。

富鋰巨星就是這種矛盾的一個(gè)典型例子。例如，由中國郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）發(fā)現(xiàn)的富鋰巨星“王者”，其鋰含量超過太陽3000倍之多。據(jù)測算，如果使用這顆恒星的鋰電池供電，可以讓14億輛特斯拉電動(dòng)車“開”到任何一個(gè)人們在夜空中能看到的恒星處，來一趟所走就走的星際穿越。

這些富鋰巨星的巨額鋰元素究竟來源于哪里？考慮到鋰元素的起源與演化與宇宙中各類尺度的天體息息相關(guān)，天文學(xué)家相信，這其中很可能涉及對恒星演化理論和標(biāo)準(zhǔn)恒星模型的挑戰(zhàn)，因此他們一直試圖解開它們的神秘面紗，弄清大量的鋰元素究竟從何而來。

恒星在演化到生命晚期階段時(shí)，會(huì)經(jīng)歷一個(gè)“發(fā)?！钡倪^程，因此它們和太陽這樣處于青壯年的恒星相比，身形巨大得多，稱為“巨星”?？茖W(xué)界對富鋰巨星的演化階段一直存在多種說法，傳統(tǒng)上一般認(rèn)為，小質(zhì)量富鋰巨星多數(shù)屬于紅巨星。

長久以來，天文學(xué)家認(rèn)為，紅巨星內(nèi)部劇烈的對流為鋰元素的產(chǎn)生創(chuàng)造了可能的條件，因此大部分富鋰巨星應(yīng)該是紅巨星。

但這就是正確答案嗎？

“裝嫩”的富鋰巨星

其實(shí)，隨著恒星的繼續(xù)演化，紅巨星中心的氦會(huì)積攢得越來越多，壓力和溫度也越來越高。終于在某個(gè)瞬間，氦核被點(diǎn)燃了。一個(gè)穩(wěn)定燃燒的新心臟出現(xiàn)，恒星進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段——紅團(tuán)簇星。

紅巨星和紅團(tuán)簇星從表面上看長得幾乎完全相同，但年齡相差可達(dá)百萬年之遙?！斑@兩種恒星在溫度和光度方面相差無幾，天文學(xué)家從表面上很難判斷?！痹搱F(tuán)隊(duì)的主要領(lǐng)導(dǎo)者之一、中國科學(xué)院國家天文臺研究員趙剛說，“這就像我們很難判斷一位白發(fā)蒼蒼的老者到底是70歲還是80歲一樣，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行一個(gè)大致的估計(jì)，但并不一定非常準(zhǔn)確。”

他們決定“摸”到富鋰巨星的內(nèi)部去一探究竟。

通過我國LAMOST、日本昴星團(tuán)等望遠(yuǎn)鏡，科研團(tuán)隊(duì)采集了大量富鋰巨星的光譜，并借助開普勒太空望遠(yuǎn)鏡對這些富鋰巨星的震動(dòng)數(shù)據(jù)，得到了截然不同的結(jié)論。

論文的第一作者，國家天文臺副研究員閆宏亮說：“我們給恒星做了個(gè)‘心電圖’。 星震就像是恒星的心跳，能夠傳遞恒星內(nèi)部的真實(shí)信息，就算兩者表面上看起來差不多，但紅巨星和紅團(tuán)簇星的心臟是不同的?！?/p>

研究發(fā)現(xiàn)，超過80%的富鋰巨星根本不是人們之前所認(rèn)為的紅巨星，它們的真實(shí)身份是更加晚年的“紅團(tuán)簇星”。原來，這些宇宙“大電池”再過去的數(shù)十年里一直在“裝嫩”。

這對先前的理論研究提出了巨大的挑戰(zhàn)。不同類型的富鋰巨星在鋰含量、恒星質(zhì)量等多個(gè)方面均與傳統(tǒng)認(rèn)知存在顯著不同，原有的基于紅巨星的理論顯然并不適用于紅團(tuán)簇星。

“這些發(fā)現(xiàn)很難用傳統(tǒng)理論去解釋?！敝锌圃簢姨煳呐_研究員施建榮評論稱，“由于內(nèi)部物理環(huán)境不同，原有的理論并不適用于紅團(tuán)簇星，我們需要盡快尋找到這一觀測現(xiàn)象的真實(shí)原因?！?/p>

前途光明的星震學(xué)

在該項(xiàng)研究中，恒星“心跳”監(jiān)測技術(shù)起到了決定性的作用。恒星的“心跳”來自于恒星的震動(dòng)——星震。那么，恒星到底是怎么“心跳”的呢？星震學(xué)又是如何通過恒星的“心跳”了解真相呢？

以太陽為例，其實(shí)它每時(shí)每刻都在“低聲細(xì)語”。雖然科學(xué)家并不能夠真的“聽到”太陽的聲音，但這些噪音會(huì)使太陽亮度發(fā)生微小的變化。所以只要記錄亮度的變化，就可以知道太陽是如何振動(dòng)的了。

就像人類的心跳一樣，恒星的振動(dòng)也代表著它身體內(nèi)部的信息，這些內(nèi)部信息是其他常規(guī)方法無法獲取的，而星震的方法就如同醫(yī)生的聽診器一樣傾聽著恒星的心跳。

閆宏亮介紹，不同演化階段的恒星在振動(dòng)頻率上有著明顯的差異。紅巨星和紅團(tuán)簇星由于不同的燃料和能量傳輸形式，它們的心臟跳動(dòng)有著十分顯著的區(qū)別。一般來說，“小年輕”紅巨星的心跳得更快一些，而上了“年紀(jì)”的紅團(tuán)簇星心跳則更加遲緩。

富鋰巨星的身世之謎解開了，天文學(xué)家似乎也有了更多的研究課題。“最近國際上提出了不少新的理論來解釋這個(gè)問題，如氦閃、雙星合并、特殊對流等等，目前尚無定論。下一步的關(guān)鍵就是去逐一檢驗(yàn)這些理論，最終找到真相?！壁w剛說。



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