我國科學家發現鋰元素豐度最高的巨星(關注)

本報記者  吳月輝

2018年08月17日06:59  來源:人民網-人民日報
 

發現富鋰巨星的示意圖。
  中國科學院國家天文台供圖

日前,以中國科學院國家天文台為首的科研團隊依托國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡(LAMOST)發現了一顆奇特天體,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。

鋰元素為何備受關注?什麼是富鋰巨星?它從何而來?這一發現又有何重要意義?帶著這些問題,記者採訪了中科院國家天文台閆宏亮博士。

由鋰元素引出的科學難題眾多

說起鋰元素,大家應該不陌生。它的原子結構非常簡單,是化學元素周期表中的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,鋰元素還被大量應用於航空航天、國防軍工等領域。

當然,鋰不光出現在日常生活中,它也是天體物理中最受關注的元素之一。為何這麼說?“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,並稱其為:一“少”、一“多”、“先多后少”。

一“少”,即古老恆星中的鋰太少了。宇宙大爆炸產生了宇宙中最初的3種元素,分別是氫、氦和鋰,誕生於宇宙初期的第一代恆星保留了這些元素。粒子物理學家們通過計算,可以推斷每種元素究竟產生了多少。然而,從第一代古老恆星中實際觀測到的鋰含量與計算預期值並不吻合,隻有計算預期值的1/3—1/2。

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

閆宏亮說:“這就很奇怪了,和恆星不同,星際物質是存在於星系中的彌散物質,因其自身特性,按理說是無法產生鋰的,必須要借助宇宙射線的幫助。不過即使算上所有可能性,產量也不到星際物質中鋰豐度的一半。”

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

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

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

富鋰巨星不符合標准恆星模型

恆星如同人類一樣,有誕生、成長、衰老和死亡的過程。而巨星階段是恆星暮年的開始,幾乎每一顆恆星都要經歷這樣一個階段。閆宏亮說:“在標准恆星模型中,恆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。”

為什麼會出現這種情況?

閆宏亮進一步解釋:“恆星在進入巨星階段時會出現體積膨脹的現象,它的半徑一般會膨脹十倍或幾十倍。同時,它的內部會產生很強的對流,從而導致鋰從恆星表面被帶入恆星內部。由於恆星內部溫度非常高,鋰就被消耗掉了。所以說,恆星在巨星階段鋰的含量應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被認為是正確的。直到1981年,天文學家喬治·沃勒斯坦和克裡斯·斯奈登利用一架小型望遠鏡發現了一顆特殊的恆星,它的光譜非常奇特,在本不該有譜線的地方發現了一條很強的鋰線。他們覺得這種現象極為罕見,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注的焦點,人們稱其為富鋰巨星。

那麼,神秘的富鋰巨星究竟是如何形成的呢?

閆宏亮說:“關於富鋰巨星如何形成至今沒有定論,但主要有兩種理論猜測:一種認為是恆星吞噬了自己的行星,‘霸佔’了原本屬於行星的鋰元素﹔另一種則認為這些鋰元素來自恆星內部,巨星可以形成鈹的同位素,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。“由於鋰元素易消耗的特性,這種元素在行星中反而更容易穩定存在。”至於第二種猜測,他認為困難的地方在於如何讓形成的鋰元素不被恆星內部的高溫所破壞。“這就需要一種運輸方式將鈹這種原材料快速搬運到恆星表面,讓其在比較低溫的區域變成鋰。但這又怎樣才能做到?”

富鋰巨星數量稀少,須借助海量數據才能發現

為了搞清楚富鋰巨星的來龍去脈,科學家們開始搜集這類天體樣本。然而,他們發現富鋰巨星的數量實在是太少了,大概隻佔巨星的0.5%—1%。

富鋰巨星的數量如此稀少,必須借助海量數據才能發現。我國自主設計建造的郭守敬望遠鏡大規模巡天的開展,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據尋找到富鋰巨星,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光譜。“因為光譜裡都有譜線,每一種元素都會有相應的譜線與之對應。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。”

結果不負眾望。不久前,科研人員終於在LAMOST海量的光譜數據中發現了一條罕見光譜,確定其來自於一顆鋰豐度異常高的恆星。

“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光譜的數量非常多,但是分辨率相對比較低,不適合於針對某個恆星的細微觀測,所以隻能借助其他分辨率更高的望遠鏡。”

經過進一步的跟蹤觀測,科研人員發現這顆奇特恆星的質量為太陽的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,發現這顆恆星絕對鋰豐度高達4.51,是目前已知的鋰豐度最高的巨星。

科研人員表示,這顆奇特恆星的發現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:“關於富鋰巨星如何形成的第二種猜測是鋰元素來自於恆星內部,但如何把鋰帶到恆星表面一直沒有定論。尋找到這個樣本之后,我們進行了數值模擬,結果表明借助不對稱對流,產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恆星上安裝了兩種管道,一種是粗管道,一種是細管道。如果在固定的時間裡流過相同量的物質,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恆星表層,進而在那裡形成了鋰。”

閆宏亮表示,這是我國科學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認知。

LAMOST光譜巡天還在繼續。接下來,人類是否能夠發現鋰含量更高的天體?究竟是什麼機制觸發了增強的不對稱對流……這些還需要科學家們不斷去探索和發現。

《 人民日報 》( 2018年08月17日 18 版)

(責編:馮人綦、曹昆)

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