宇宙“贵族”富锂巨星现身

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宇宙“贵族”富锂巨星现身

技术小能手 2018-08-07 12:57:21 浏览1441
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编者按:北京时间8月7日凌晨,国际科学期刊《自然 · 天文》(Nature Astronomy)在线发布我国天文学家的一项重大发现,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)发现一颗奇特天体,它的锂元素丰度约是同类天体的3000倍,这是目前人类已知锂元素丰度最高的恒星。这一发现到底有何重要意义?请听发现者之一的闫宏亮博士娓娓道来。

简单元素的复杂难题

说起锂元素,大家都不陌生,小到你拿在手里的手机、平板电脑,大到无人飞行器、电动汽车,都在使用锂电池供电。美国一家公司甚至成功将锂电池模组并入到纽约电力网络中,用来满足纽约市民用电高峰的需求。除此之外,锂元素还被大量应用于航空航天、国防军工等领域。可见,锂元素与电池的完美结缘,成为了现代科技革命的“重头戏”。

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图1 没有锂电池就没有现代手机、电动汽车的普及。

锂元素的原子结构非常简单,它紧随氢和氦,排在化学元素周期表的第三位。然而如此简单的元素,却一直困扰着科学家,因为锂引出的难题实在太多了。

第一个问题:科学家发现古老恒星中的锂太少了。大爆炸产生了宇宙中最初的3种元素,分别是氢,氦和锂,而诞生于宇宙初期的古老恒星保留了这些原材料。天才的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,而且和观测到的数量基本吻合。只有锂元素除外,因为在古老恒星中观测到的锂含量只有计算预期值的一半。

第二个问题:恰恰相反,科学家们又发现星际物质中锂太多了。天文学家在星际物质中发现锂的含量(锂与氢的比例)比大爆炸理论所预言的高4倍左右。星际物质因为其自身特性,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。

第三个问题:所有恒星在诞生时候都是含锂的,但演化到巨星(恒星演化后期)阶段时绝大多数的锂会被消耗掉,那么今天的主角出现了——富锂巨星存在吗?它有什么特别之处呢?

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图2 粒子物理学家可以计算出宇宙是如何诞生的。

为了解答锂元素制造的这些问题,科学家们在浩瀚的宇宙中不断探索、前行。

富锂巨星的搜寻之旅

恒星如同人类一样,会诞生、成长、衰老、死亡。而巨星阶段是恒星暮年的开始,几乎任何一颗恒星都要经历这样一个阶段。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。

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图3 恒星的暮年——红巨星与太阳的对比。

这样的预言在相当长一段时间内都被认为是正确的。直到1981年,两位天文学家George Wallerstein和Chirs Sneden利用一架小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成为了大家关注的焦点,人们称之为富锂巨星。

为了搞清楚富锂巨星的来龙去脉,科学家们便开始搜集这类天体样本。然而让人大跌眼镜的是,他们发现富锂巨星的数量实在是少的可怜,大概只占巨星的0.5%-1%左右。因此搜寻富锂巨星的工作就如同星海里捞针,非常困难。

我国自主设计建造的郭守敬望远镜(LAMOST)大规模巡天的开展,为搜寻富锂巨星提供了宝贵的机遇。

近日,国家天文台闫宏亮博士、赵刚研究员、施建荣研究员等人利用LAMOST数据发现一颗奇特天体,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,它是目前人类已知的锂元素丰度最高的巨星,绝对称得上“奇珍异宝”。这一发现刷新了人类对富锂巨星的认知,也成为人类研究富锂现象的绝佳样本。

目前,这一研究成果于北京时间2018年8月7日在线发表于《自然 · 天文》(Nature Astronomy)杂志。

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图4 发现锂丰度最高恒星的示意图

富锂巨星的前世今生

关于富锂巨星如何形成至今没有定论。不过一些有趣的猜想却值得一提。比如,一些理论认为富锂巨星可能诞生于一次灾难级事件,那就是恒星吞噬了自己的行星。这种貌似只有好莱坞大片中才应该有的情节,其实在天文学中并不罕见。

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。因此天文学家怀疑是恒星吞噬了自己的行星并“霸占”了原本属于行星的锂,这并不是没有道理。

正如发现富锂巨星的Wallerstein和Sneden调侃道,居住在那里的外星人们突然发现他们内层的行星都被自己的“太阳”给吃掉了,一定正尖叫着对宇宙发出各种求救信号,期待着其他种族能够前来营救他们。

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图5 不断膨胀的红巨星将周围的行星吞噬。

另外一种想法则认为这些锂元素来自恒星内部。巨星可以形成铍元素,而这种元素很容易就会衰变成锂。但困难是让形成的锂元素不被恒星内部的高温所破坏,就需要一种运输方式将铍元素快速搬运到恒星表面,让其在比较低温的区域变成锂。

数值模拟表明借助不对称对流,产生如此高的锂是完全有可能的。这种对流就像是在恒星上安装了两种管道,一种管道粗,另一种管道细,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。那么恒星中的物质是如何通过这种不对称对流形成大量锂元素的呢,假如科技条件成熟,你也许可以坐在一艘密封舱内亲眼去看一看。

当你安全地进入这颗恒星的大气后,你会发现它表面的物质可能正如沸水一般翻腾。你的密封舱还没来得及稳定,就在惊涛海浪之中沉入了恒星深层。在这个过程中,你的探测器会告诉你周围的物质正在快速转化。

在沿着粗管道经历漫长地下潜之后,你似乎可以看到下方不远处就是这颗恒星剧烈燃烧的内核,很多氦元素正在转化成铍。你正想仔细观测这个过程,密封舱已经进入了用来快速上升的细管道。它像火箭一样开始急剧加速,你几乎无法再看清任何事物,甚至两眼发黑。

就在你还没来得及尖叫时,探测器可能已经回到了恒星表面。你发现周围的物质又开始变化了,它们正从铍迅速转变成锂。你的密封层此时如同大海中的孤舟,正漂浮在一片锂的海洋之中。

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图6 乘坐密封舱进入恒星

这颗奇特恒星的发现刷新了人类对天体中锂丰度的认知,将国际上的锂丰度观测极限提高了一倍,它将作为一个独特的样本在以后的科学研究中持续发挥价值。同时,关于富锂巨星的形成原因也一直众说纷纭,我们的科学家在理论上对锂元素的合成和恒星演化理论提出独树一帜的新观点,在一定程度上改变了人们对富锂巨星的传统认知。

LAMOST光谱巡天仍然在继续。接下来,人类是否能够发现锂含量更高的“锂富豪”天体?究竟是什么机制触发了增强的对流?我们最终能否解开锂元素留下的种种谜团?…… 让我们拭目以待。

原文发布时间为:2018-08-07
本文作者:闫宏亮
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