我国科学家发现锂元素丰度最高的巨星

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2018-08-18 03:33

 发现富锂巨星的示意图。

日前,以中国科学院国家天文台为首的科研团队依托国家重大科技基础设施郭守敬望远镜(LAMOST)发现了一颗奇特天体,它“居住”在银河系中心附近的蛇夫座,距离地球约4500光年。它的质量不足太阳的1.5倍,锂元素含量却是太阳的3000倍。更重要的是,它是目前已知的锂元素丰度最高的巨星。

锂元素为何备受关注?什么是富锂巨星?它从何而来?这一发现又有何重要意义?带着这些问题,记者采访了中科院国家天文台闫宏亮博士。

由锂元素引出的科学难题众多

说起锂元素,大家应该不陌生。它的原子结构非常简单,是化学元素周期表中的3号元素。金属锂呈银白色,是密度最小的金属,可以漂浮在水上。

日常生活中,我们常常可以看到锂的身影。比如,手机、平板电脑、电动汽车等都在使用锂电池供电。此外,锂元素还被大量应用于航空航天、国防军工等领域。

当然,锂不光出现在日常生活中,它也是天体物理中最受关注的元素之一。为何这么说?“因为锂可以用来追溯宇宙早期的一些信息,而且由它引出的科学难题实在是太多了!”闫宏亮说。

闫宏亮从这些难题中归纳出主要的三个,并称其为:一“少”、一“多”、“先多后少”。

一“少”,即古老恒星中的锂太少了。宇宙大爆炸产生了宇宙中最初的3种元素,分别是氢、氦和锂,诞生于宇宙初期的第一代恒星保留了这些元素。粒子物理学家们通过计算,可以推断每种元素究竟产生了多少。然而,从第一代古老恒星中实际观测到的锂含量与计算预期值并不吻合,只有计算预期值的1/3—1/2。

一“多”,即星际物质中的锂太多了。天文学家们又发现星际物质中锂的含量(锂与氢的比例)比大爆炸理论所预言的要高4倍左右。

闫宏亮说:“这就很奇怪了,和恒星不同,星际物质是存在于星系中的弥散物质,因其自身特性,按理说是无法产生锂的,必须要借助宇宙射线的帮助。不过即使算上所有可能性,产量也不到星际物质中锂丰度的一半。”

“先多后少”,则是指按大爆炸理论,所有的恒星在诞生之初都是含锂的,但演化到巨星阶段(恒星的老年阶段)时绝大多数的锂会被消耗掉。

“可是,像我们此次发现的这类富锂巨星的存在却无法用先前的理论来解释。这是为什么?”闫宏亮说。

为了解答由锂元素引出的这些问题,世界各国的科学家们一直在孜孜不倦地探索和前行。

富锂巨星不符合标准恒星模型

恒星如同人类一样,有诞生、成长、衰老和死亡的过程。而巨星阶段是恒星暮年的开始,几乎每一颗恒星都要经历这样一个阶段。闫宏亮说:“在标准恒星模型中,恒星在巨星阶段会把自身的锂元素‘消化’掉,成为一个在表面上几乎探测不到锂元素的天体。”

为什么会出现这种情况?

闫宏亮进一步解释:“恒星在进入巨星阶段时会出现体积膨胀的现象,它的半径一般会膨胀十倍或几十倍。同时,它的内部会产生很强的对流,从而导致锂从恒星表面被带入恒星内部。由于恒星内部温度非常高,锂就被消耗掉了。所以说,恒星在巨星阶段锂的含量应该是呈几十倍到上百倍减少的。”

这样的理论在很长一段时间内被认为是正确的。直到1981年,天文学家乔治·沃勒斯坦和克里斯·斯奈登利用一架小型望远镜发现了一颗特殊的恒星,它的光谱非常奇特,在本不该有谱线的地方发现了一条很强的锂线。他们觉得这种现象极为罕见,也无法给出确切的解释。这种特殊的天体很快便成为大家关注的焦点,人们称其为富锂巨星。

那么,神秘的富锂巨星究竟是如何形成的呢?

闫宏亮说:“关于富锂巨星如何形成至今没有定论,但主要有两种理论猜测:一种认为是恒星吞噬了自己的行星,‘霸占’了原本属于行星的锂元素;另一种则认为这些锂元素来自恒星内部,巨星可以形成铍的同位素,而这种元素很容易衰变成锂。”

闫宏亮认为第一种猜测还是有一定道理的。“由于锂元素易消耗的特性,这种元素在行星中反而更容易稳定存在。”至于第二种猜测,他认为困难的地方在于如何让形成的锂元素不被恒星内部的高温所破坏。“这就需要一种运输方式将铍这种原材料快速搬运到恒星表面,让其在比较低温的区域变成锂。但这又怎样才能做到?”

富锂巨星数量稀少,须借助海量数据才能发现

为了搞清楚富锂巨星的来龙去脉,科学家们开始搜集这类天体样本。然而,他们发现富锂巨星的数量实在是太少了,大概只占巨星的0.5%—1%。

富锂巨星的数量如此稀少,必须借助海量数据才能发现。我国自主设计建造的郭守敬望远镜大规模巡天的开展,为搜寻富锂巨星提供了较大的便利。

闫宏亮说:“LAMOST以每年超过百万光谱的速度进行巡天观测,我们希望能通过这些海量光谱数据寻找到富锂巨星,然后进行仔细的研究,从而揭示其自身锂元素的来源之谜。”

闫宏亮介绍说,科研人员在最初寻找富锂巨星时主要是根据光谱。“因为光谱里都有谱线,每一种元素都会有相应的谱线与之对应。我们先找到有锂元素谱线的光谱,然后看一下这些谱线的强弱,把锂线很强的从中挑选出来。”

结果不负众望。不久前,科研人员终于在LAMOST海量的光谱数据中发现了一条罕见光谱,确定其来自于一颗锂丰度异常高的恒星。

“在初步确定之后,科研人员又利用自动行星搜寻者(APF)望远镜对其进行了跟踪观测”,闫宏亮说,“因为LAMOST光谱的数量非常多,但是分辨率相对比较低,不适合于针对某个恒星的细微观测,所以只能借助其他分辨率更高的望远镜。”

经过进一步的跟踪观测,科研人员发现这颗奇特恒星的质量为太阳的1.5倍,半径约为太阳的15倍,是一颗典型的巨星。接着,他们对其锂丰度进行了精确测量,发现这颗恒星绝对锂丰度高达4.51,是目前已知的锂丰度最高的巨星。

科研人员表示,这颗奇特恒星的发现刷新了人类对天体中锂丰度的认知,将国际上富锂巨星的锂丰度观测极限提高了一倍。

有了如此好的样本,科研人员的研究也随之又推进了一步。

闫宏亮说:“关于富锂巨星如何形成的第二种猜测是锂元素来自于恒星内部,但如何把锂带到恒星表面一直没有定论。寻找到这个样本之后,我们进行了数值模拟,结果表明借助不对称对流,产生如此高的锂是完全可能的。”

对此,闫宏亮打了个比方。“这种不对称对流就像是在恒星上安装了两种管道,一种是粗管道,一种是细管道。如果在固定的时间里流过相同量的物质,细的管道流速一定更快。这些铍元素就是通过这种快速管道迅速上升到恒星表层,进而在那里形成了锂。”

闫宏亮表示,这是我国科学家提出的独树一帜的新观点,在一定程度上改变了人们对富锂巨星的传统认知。

LAMOST光谱巡天还在继续。接下来,人类是否能够发现锂含量更高的天体?究竟是什么机制触发了增强的不对称对流……这些还需要科学家们不断去探索和发现。

(责编:赵清(实习生)、熊旭)

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