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我們知道宇宙大爆炸產生了宇宙中的氫、氦和一點鋰。從那以後,剩下的元素,包括每個生命比如你和我所構成的物質,大部分都是由恆星鍛造的。恆星是製造大部分元素的核熔巖。但說到鋰,就存在著不確定性。
一項新的研究表明,太陽系和銀河系中的鋰似乎白矮星有所關聯,科學家認為地球上的鋰元素大部分來自一種叫白矮星的恆星爆炸。
鋰
鋰是元素周期表中的第三種元素,原子量為6.94。由於它的相對核不穩定,所以它不像你預期的那麼豐富,而且它與元素越輕越豐富的趨勢相反:它在太陽系中的豐度低於周期表前32個元素中的25個。
這是我們太陽系周期表中前32個元素的估計豐度。儘管如此,鋰有廣泛的用途。它被用於醫藥,光學,玻璃和陶瓷,潤滑脂,甚至武器。還有無處不在的鋰離子電池,為各種設備和工具提供動力。
在宇宙元素來源的周期表中,鋰是唯一一種通過三種不同過程產生的元素:大爆炸核合成、宇宙射線裂變和像太陽這樣的低質量恆星走到生命盡頭時。這三種情況就會產生鋰元素。
鋰的來源
下面這個周期表顯示了化學元素的來源。這項新的研究表明,在我們的太陽系和銀河系中,經典的白矮星爆炸已經產生了大部分的鋰。
來自華碩地球與空間探索學院的攝政教授斯塔爾菲爾德表示:「考慮到鋰在耐熱玻璃和陶瓷、鋰電池和鋰離子電池以及改變情緒的化學物質等常見用途中的重要性,很高興知道這種元素的來源!」
於是研究小組研究了白矮星的物質。白矮星(WD)是一顆恆星的殘骸,是一顆已經停止聚變的恆星,只在儲存了熱能的光線下發光。一個白矮星的質量通常和我們的太陽差不多,但它的體積和地球的相似。
白矮星巨大的引力將物質從它的伴星中拉出來。當這種物質堆積在白矮星的表面時,它也會與白矮星本身的物質混合,形成一個很好的以氫為主的爆炸層。最終導致熱核失控。失控的氫聚變發生在WD的表面,形成一個經典的新星爆炸結果。
那次爆炸將大量物質發射到太空中,白矮星發出明亮的閃光,亮度增加了5萬倍。但與「常規」超新星不同的是,經典的新星既不摧毀白矮星,也不摧毀伴星。兩者都完好無損,過程會重複。天文學家說,銀河系中每年大約有50顆這樣的經典新星。
但白矮星並不是單一的,它們的質量範圍從低至0.17太陽質量到高達1.33太陽質量,峰值在0.5到0.7太陽質量之間。並且它們在進入新星之前從同伴那裡吸積的物質,以及它們自身的物質混合也不盡相同。
研究中的這個數字顯示了1個太陽質量WD(頂部)和1.35個太陽質量WD(底部)的同位素產生,兩種情況下WD物質與恆星伴生物質的比率都是25/75。研究小組模擬了不同質量的WD,並改變了WD材料與恆星伴星材料的比例。這就是鋰和鈹的來源。
拓展研究
斯塔爾菲爾德表示:「我們必須對對恆星輕核與重核融合併釋放能量的核聚變有一定的理解,才能對恆星獲得的能量進行建模。我們需要知道,在什麼樣的恆星條件下,我們期望原子核的可以相互作用,以及它們相互作用的產物是什麼。」
研究小組的模擬結果表明,這些經典的新星能夠在噴出的氣體中產生大量的Be7。Be7的半衰期很短,只有53天左右。然後它衰變為Li7,這是僅有的兩種穩定的Li同位素中含量最豐富的一種。根據這項研究,我們太陽系和銀河系中的鋰大部分來自古代的經典新星。
這個數字與上面的數字相似,但是WD物質與恆星伴生物質的比率是50/50。當某些元素的豐度發生變化時,Be-7的過量生產與Li-7相似。
不僅如此,科學家還發現當白矮星作為一顆經典的新星爆發時,它從伴星吸積的質量並不是全部在爆炸中被摧毀或排出。隨著時間的推移,一些波實際上通過連續的吸積爆炸循環變得更大。有可能其中一些波可以達到錢德拉塞卡極限,它們可以成為1A型超新星,但是有多少還不得而知。
如果WD從它的同伴那裡吸積足夠的物質而不與它自己的物質混合,那就會導致許WD在新星爆炸之前吸積更多的物質。此外,如果WD在沒有混合的情況下吸積物質,或者如果物質混合得太早,產生的新星爆炸不會噴射出太多物質。在這些條件下,WD的質量可以增長到足以最終成為超新星。
當然,這種深度的研究已經超乎了我們的理解。超新星是一種複雜的現象。1A型超新星可以在不同的情況下產生,並且有不同的類型。正如科學家所提到的,關於1a型血吸蟲的祖先仍然存在爭論,我們對SN 1As的種群還知之甚少。但是如果他們的結果是正確的,我們至少知道經典新星是他們產生的一種方式,我們知道它背後的一些細節。但是今天,最重要的是,我們知道了鋰的來源!