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富锂巨星谜云

来源:
中国青年报
2018/08/13 11:05

 

发现锂丰度最高恒星的示意图。《中国国家天文》绘图

 

  这是一颗刚刚被发现的奇特天体:居住在银河系中心附近的蛇夫座,距离地球约4500光年,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”。

  为什么富含锂元素的天体会受到如此广泛的关注?这要从锂元素自身说起。

 

  简单元素的复杂难题

  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。人类对锂元素并不陌生,小到手里的手机、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。锂元素与电池的结缘,成为现代科技革命的“重头戏”。

  然而正是这个熟悉又简单的元素,一直困扰着科学家,因为锂元素在天文中引出的问题实在是太多了。

  首先,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——氢、氦和锂,而诞生于宇宙初期的古老恒星则保留了这些原材料。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,科学家又发现星际物质中的锂太多了。天文学家在星际物质中发现锂的含量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,必须借助宇宙射线的帮助才能产生锂。不过即使算上所有的可能性,产量也不到星际物质中锂丰度的一半。

  而第三个问题,正是最新发表的这项工作所聚焦的问题:富锂巨星为何存在?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。

  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第一颗富锂巨星。

 

  富锂巨星的成因之谜

  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并“霸占”了原本属于行星的锂。这种猜想有一定的依据——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。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。

  另外一种想法则认为这些锂元素来自恒星内部。巨星可以形成一种不稳定的铍的同位素,并很容易衰变成锂。但困难是如何让形成的锂元素不被恒星内部的高温所破坏?这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。

  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得可怜——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。

  值得一提的是,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机遇——正是借助LAMOST的千万量级光谱才发现了这颗富锂巨星。

  由于这颗巨星的锂丰度实在是太高了,根本无法用吞噬行星来解释——即使按照最好的情况来算,由吞噬获得的锂也不过这颗恒星中锂含量的1/200,是远远不够的。

  如此一来,这颗恒星的锂元素只可能来自恒星内部。参与这项工作的科学家们借助不对称对流模型,通过数值模拟表明恒星自身产生如此高的锂是完全有可能的。不对称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?

 

  富锂巨星的深潜之旅

  假如科技条件成熟,人类的探险者也许可以坐在一艘密封舱内亲眼去看一看。当密封舱安全地进入这颗恒星的大气后,探险者会发现它表面的物质可能正如沸水一般翻腾。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,探测器会显示出周围的物质正在快速转化。

  在沿着粗管道经历漫长的下潜之后,探险者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。正当他想仔细观测这个过程,密封舱已经进入用来快速上升的细管道。它像火箭一样开始急剧加速,里面的人几乎无法再看清任何事物,甚至感到两眼发黑。就在他还没来得及尖叫时,探测器可能已经回到了恒星表面。此时周围的物质又开始了变化,它们正从铍迅速转变成锂。还在摇曳的密封舱如同大海中的孤舟,漂浮在一片锂的海洋之中。

  LAMOST光谱巡天仍然在继续。这颗奇特恒星的发现刷新了人类对天体中锂丰度的认知,更多的锂谜团还有待科学家去解开:人类是否能够发现锂含量更高的天体?是什么机制触发了不对称对流?锂元素留下的种种谜团能否解开?……

  (作者:闫宏亮,国家天文台助理研究员)

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