破獲宇宙起源與演化「大案」

富鋰巨星示意圖。中科院國家天文臺國際科研團隊供圖

　　國際團隊研究使用巡天數據的中國郭守敬望遠鏡（大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡，英文縮寫LAMOST）在星空下的資料圖片。陳穎為/攝（中科院國家天文臺供圖）

　　北京時間10月6日，中國、日本、法國、荷蘭、美國、澳大利亞等多國科研人員合作完成的關於富鋰巨星真實身份的重要天文研究成果論文，在國際學術期刊《自然-天文》發表。中國科學院國家天文臺研究員趙剛、施建榮為論文共同通訊作者，中科院國家天文臺副研究員閆宏亮與博士周渝濤為論文共同第一作者。

　　宇宙中富鋰巨星的真實身份是什麼，其鋰元素含量超過恆星演化理論值的上千倍是怎樣形成的，這一備受天文學界關注、事關宇宙起源與演化的「大案」，又將帶來哪些最新認識？記者第一時間聯繫中方專家，請他們講述這一宇宙「大案」破獲背後的故事。

　　「新興」元素

　　說到鋰元素，現代人並不陌生，無論是智慧型手機、平板電腦，還是無人機、電動汽車，都在使用鋰電池供電。鮮為人知的是，這個在近10年才陸續進入大眾視野中的「新興」元素，幾乎和宇宙一樣古老。

　　據趙剛介紹，鋰是宇宙最早形成的元素之一。伴隨著137億年前的大爆炸，鋰元素在宇宙誕生後的20分鐘內就出現了。作為構成當今物質宇宙的基本元素之一，鋰元素可以說連接了宇宙的過去與現在。

　　一個奇怪的現象是，鋰元素在宇宙中很多天體內的含量卻與理論表現出較大差異，這個矛盾一直困擾著天文學家。

　　富鋰巨星就是這種矛盾的一個典型例子。趙剛說，「巨星」是恆星在演化到生命晚期階段時的名字，因為它們經歷了一個「發福」的過程，和處於青壯年的恆星相比身形巨大得多。

　　顧名思義，「富鋰巨星」的鋰元素含量，遠超同類天體的「巨星」。它們在晚期的小質量恆星中只佔1%，但其大氣中所蘊含的鋰元素，卻比其餘的99%都要高。

　　例如，此前由我國郭守敬望遠鏡發現的富鋰巨星王者——TYC429-2097-1，其鋰含量超過太陽3000倍之多，是目前人類已知的鋰豐度最高的恆星。如果把地球上所有的汽車（約14億輛）全部換成電動汽車，並且用這顆恆星上的鋰做成電池給它們供電，那麼可以同時讓這14億輛電動汽車開到任何一個你在夜空中能看到的恆星處，「來一趟說走就走的星際穿越」。

　　在科研團隊看來，由於富鋰巨星中巨額鋰元素來源不明，這其中很可能涉及對恆星演化理論和標準恆星模型的挑戰，因此，天文學家一直試圖揭開這些「少數派」神秘面紗，弄清大量的鋰元素究竟從何而來，特別是考慮到鋰元素的起源與演化還與宇宙中各類尺度的天體息息相關。

　　據施建榮介紹，為解開鋰元素在這些晚年的小質量恆星中的起源之謎，就必須要知道大量的鋰究竟是在何時出現。恆星逐漸變老的過程在天文上叫做演化，如果能夠知道富鋰巨星所處的演化階段，就等於知道了鋰元素的形成時間，進而反推它們的起源。

　　科學界對富鋰巨星的演化階段一直存在多種說法，傳統上一般認為小質量富鋰巨星多數為「紅巨星」。造成這種認知的主要原因有兩點：一是從恆星的外表來看，它們的溫度和亮度的確符合「紅巨星」的特徵；二是在朝著紅巨星演化的過程中，恆星內部可能產生10倍於普通對流速度的特殊對流，這種環境反而有利於鋰元素的形成，符合產生富鋰巨星的預期。

　　然而，這裡面一直存在著一個致命的隱患——

　　隨著恆星的繼續演化，紅巨星中心的氦會積攢得越來越多，壓力和溫度也越來越高。終於在某個瞬間，氦核被點燃了，一個穩定燃燒的新心臟出現，恆星進入了一個嶄新的階段——「紅團簇星」。和剛剛進入「紅巨星」的恆星相比，這兩個年齡相差可達百萬年的恆星從表面上看長得幾乎完全相同。

　　因此，一直被認為多數是「紅巨星」的富鋰巨星，其真實身份值得懷疑，它們可能只是看起來年輕而已。

　　被「騙」了數十年

　　問題是，科學家如何對它們進行鑑別？

　　施建榮介紹，儘管長相相似，但這兩類恆星的「心臟」卻完全不同。最新發表的這項研究，就是通過監聽一大群由郭守敬望遠鏡光譜中所發現的富鋰巨星的「心跳」來實現的。

　　在研究中，天文學家使用了一種被稱為「星震學」的技術，測量了富鋰巨星心臟的跳動規律，如同給每顆恆星做了「心電圖」。

　　不檢查不要緊，一檢查卻發現，原來超過80%的富鋰巨星根本不是學界之前所認為的「紅巨星」，它們的真實身份是更加年長的「紅團簇星」。

　　就這樣，天文學家被富鋰巨星「矇騙」了數十年。

　　天文學家進一步研究還發現，不同類型的富鋰巨星在鋰含量、恆星質量等多個方面均與傳統認知存在顯著不同。這些發現很難用目前的理論進行解釋。

　　趙剛說，因為數十年來，絕大多數相關的理論都是基於「紅巨星」這一前提所提出的，甚至直到今年很多相關的理論研究也還在討論紅巨星內的種種機制。但是，由於內部的物理環境全然不同，原有的理論顯然並不適用於「紅團簇星」。

　　恆星的「心跳」

　　值得一提的是，在鑑別「紅巨星」和「紅團簇星」的過程中，恆星的「心跳」起到了決定性的作用。

　　據閆宏亮介紹，恆星的「心跳」其實來自恆星的震動——星震。那麼，恆星到底是怎麼「心跳」的，星震學又是如何通過恆星的「心跳」了解真相呢？

　　科研人員以太陽為例，它每時每刻都在成千上萬個頻率上「低聲細語」。雖然科學家並不能夠真的「聽到」太陽的聲音，但是這些噪音使得太陽的亮度發生微小的變化。所以只要記錄其亮度的變化，就可以知道太陽是如何振動的了。就像人們的心跳一樣，恆星的振動代表著它身體內部的信息，這些內部信息用其他常規方法無法獲取，而星震的方法就如同醫生的聽診器一樣傾聽著恆星的「心跳」。

　　當然，不同演化階段的恆星在振動頻率上也有著明顯的差異。

　　閆宏亮說，「紅巨星」和「紅團簇星」由於不同的燃料和能量傳輸形式，它們的心臟跳動有著十分顯著的區別：一般來說，「紅巨星」的心率更快一些，而年紀更大的「紅團簇星」則心率更慢。

　　此次肩負測量「心電圖」功能的是Kepler衛星，這是美國國家航空航天局於2009年發射的一顆用於搜尋類地行星的太空望遠鏡，其長達4年不間斷地測光觀測使星震學技術成功應用到富鋰巨星的研究當中。

　　趙剛及其團隊成員表示，多年來，富鋰巨星的身份一直迷惑著人們，由我國天文學家主導國際科研團隊最新完成的這一研究工作，通過「星震學」聽診恆星「心跳」，解開了富鋰巨星的真實身份之謎，該研究成果促進了恆星演化理論的完善，將加深人們對宇宙物質形成的認識。

（原載於《中國青年報》 2020-10-13 12版）