原來它一直在裝嫩！

2020-10-18 中國數字科技館

天文學家通過恆星監測恆星的心跳和分析它們的光譜揭秘富鋰巨星的真實身份。圖片來源：喻京川/北京天文館

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。但這個現代感十足的元素其實幾乎和宇宙一樣古老。

鋰元素是宇宙中最早產生的元素之一，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恆星演化理論值的上千倍。針對這些天體中的鋰是如何產生的，天文學家一直在努力尋找答案。

近日，《自然—天文》雜誌發布了一項由我國天文學家主導的國際科研團隊關於富鋰巨星真實身份的重要成果。通過監聽恆星的「心跳」，研究人員發現絕大多數富鋰巨星並不是傳統上所認為的紅巨星。這一發現挑戰了傳統的恆星演化理論，對最終解開鋰元素的起源之謎至關重要。

14億輛特斯拉的星際旅行

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，它連接了宇宙的過去與現在。但是，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，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。例如，由中國郭守敬望遠鏡（LAMOST）發現的富鋰巨星「王者」，其鋰含量超過太陽3000倍之多。據測算，如果使用這顆恆星的鋰電池供電，可以讓14億輛特斯拉電動車「開」到任何一個人們在夜空中能看到的恆星處，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於哪裡？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，天文學家相信，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。

恆星在演化到生命晚期階段時，會經歷一個「發福」的過程，因此它們和太陽這樣處於青壯年的恆星相比，身形巨大得多，稱為「巨星」。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屬於紅巨星。

長久以來，天文學家認為，紅巨星內部劇烈的對流為鋰元素的產生創造了可能的條件，因此大部分富鋰巨星應該是紅巨星。

但這就是正確答案嗎？

「裝嫩」的富鋰巨星

其實，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。

紅巨星和紅團簇星從表面上看長得幾乎完全相同，但年齡相差可達百萬年之遙。「這兩種恆星在溫度和光度方面相差無幾，天文學家從表面上很難判斷。」該團隊的主要領導者之一、中國科學院國家天文臺研究員趙剛說，「這就像我們很難判斷一位白髮蒼蒼的老者到底是70歲還是80歲一樣，只能根據經驗進行一個大致的估計，但並不一定非常準確。」

他們決定「摸」到富鋰巨星的內部去一探究竟。

通過我國LAMOST、日本昴星團等望遠鏡，科研團隊採集了大量富鋰巨星的光譜，並藉助克卜勒太空望遠鏡對這些富鋰巨星的震動數據，得到了截然不同的結論。

論文的第一作者，國家天文臺副研究員閆宏亮說：「我們給恆星做了個『心電圖』。 星震就像是恆星的心跳，能夠傳遞恆星內部的真實信息，就算兩者表面上看起來差不多，但紅巨星和紅團簇星的心臟是不同的。」

研究發現，超過80%的富鋰巨星根本不是人們之前所認為的紅巨星，它們的真實身份是更加晚年的「紅團簇星」。原來，這些宇宙「大電池」再過去的數十年裡一直在「裝嫩」。

這對先前的理論研究提出了巨大的挑戰。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，原有的基於紅巨星的理論顯然並不適用於紅團簇星。

「這些發現很難用傳統理論去解釋。」中科院國家天文臺研究員施建榮評論稱，「由於內部物理環境不同，原有的理論並不適用於紅團簇星，我們需要儘快尋找到這一觀測現象的真實原因。」

前途光明的星震學

在該項研究中，恆星「心跳」監測技術起到了決定性的作用。恆星的「心跳」來自於恆星的震動——星震。那麼，恆星到底是怎麼「心跳」的呢？星震學又是如何通過恆星的「心跳」了解真相呢？

以太陽為例，其實它每時每刻都在「低聲細語」。雖然科學家並不能夠真的「聽到」太陽的聲音，但這些噪音會使太陽亮度發生微小的變化。所以只要記錄亮度的變化，就可以知道太陽是如何振動的了。

就像人類的心跳一樣，恆星的振動也代表著它身體內部的信息，這些內部信息是其他常規方法無法獲取的，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。

閆宏亮介紹，不同演化階段的恆星在振動頻率上有著明顯的差異。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，「小年輕」紅巨星的心跳得更快一些，而上了「年紀」的紅團簇星心跳則更加遲緩。

富鋰巨星的身世之謎解開了，天文學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問題，如氦閃、雙星合併、特殊對流等等，目前尚無定論。下一步的關鍵就是去逐一檢驗這些理論，最終找到真相。」趙剛說。


作者：丁佳

本文來自：中國科學報

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