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星海寻“锂”

2018-08-30 09:47:20|来源:经济日报|编辑:薛维萌 |责编:韩东林

太阳与富锂巨星对比示意图。

闫宏亮在介绍新近发现的富锂巨星。 沈 慧摄

  众里寻她千百度,蓦然回首,那“星”却在“灯火”阑珊处。近日,以中国科学院国家天文台为首的科研团队宣布:依托大科学装置郭守敬望远镜(LAMOST)发现一颗奇特天体——其绝对锂丰度高达4.51(相当于太阳中锂含量的3000倍)。

  那么,这一发现有何意义?请听发现者们娓娓道来

  据科研团队介绍,这颗奇特天体“居住”在银河系中心附近的蛇夫座,距离地球约4500光年,其质量不足太阳的1.5倍,锂元素含量却是太阳的3000倍。如此高含量的锂元素,让科学家们不禁为之着迷。

  简单而复杂的锂元素

  锂元素虽然轻若鸿毛,却成就了现代科技革命,随处可见它的身影;此外,它还是连接宇宙大爆炸、星际物质和恒星的关键

  提起锂,大家并不陌生。它是元素周期表中的3号元素,结构简单,紧随氢和氦,排在化学元素周期表的第3位。虽然轻若鸿毛(轻到可以漂浮在水面上),却成就了现代科技革命。

  小到手机、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。

  不仅“接地气”,这个简单而实用的锂元素还是连接宇宙大爆炸、星际物质和恒星的关键。一直以来,它在宇宙和恒星中的演化始终困扰着世界各地的科学家。“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’。”发现者之一、中国科学院国家天文台博士闫宏亮说,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。实践证明,氢、氦和观测到的数量基本吻合,只有锂元素除外:在古老恒星中观测到的锂,其含量只有计算预期值的一半。

  再比如,按照以往科学家们对恒星的理解:如同人类一样,恒星会经历诞生、成长、衰老、死亡等过程。而巨星(恒星演化后期)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,恒星在诞生的时候都是含锂的,但演化到巨星阶段,它会把自身的锂元素“消化”掉,成为一个在表面上几乎探测不到锂元素的天体。但不久,另一个困惑随之而来:经过旷日持久的天文探索,科学家们发现,巨星中存在一些锂含量高的“异类”。这就是后来人们常常提及的富锂巨星。

  1981年,天文学家乔治·沃勒斯坦和克里斯·斯奈登利用一架小望远镜首次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出现了一条很强的锂线。这个特殊的天体很快引起大家的关注,不久,科学家们赐予了它一个贵族式的名字——富锂巨星。

  茫茫宇宙中“捞针”

  富锂巨星大约仅占巨星数量的0.5%至1%,因“在揭示锂元素起源和演化上具有重要意义”,人类探索的脚步从未放慢

  为弄清富锂巨星的来龙去脉,科学家们在浩瀚的宇宙中开始搜集这类天体样本。然而现实让人大跌眼镜:他们发现,富锂巨星的数量大约仅占巨星的0.5%至1%。近40年来,全世界科学家们千方百计地寻找,也仅仅发现了3个锂丰度超过4.0,相当于太阳中锂含量1000倍的富锂巨星。

  在茫茫宇宙中搜寻富锂巨星难度之大,闫宏亮形容为“星海里捞针”。但人类探索的脚步并未就此放慢,理由是“虽然富含锂元素的巨星十分稀有,但在揭示锂元素起源和演化上具有重要意义”。

  仰望星空,解码未知宇宙。2009年,我国自主设计建造的郭守敬望远镜(LAMOST)竣工,很快投入使用。它突破了天文望远镜大口径与大视场难以兼得的瓶颈,成为目前世界上口径最大的大视场望远镜。因此,大样本统计与寻找奇异天体,成为郭守敬望远镜的两大“定位”。

  “如同人类的指纹,每个天体所含元素不同,对应光谱也各不相同。LAMOST同时具备大视场和大口径的优势,能以每年超过百万光谱的速度巡天观测。我们希望,能通过这些海量光谱数据寻找到富锂巨星。”中国科学院院士、LAMOST运行和发展中心总工程师崔向群说。

  根据闫宏亮的解释,科研人员在最初寻找富锂巨星时,主要是根据光谱。“因为光谱里含有谱线,每一种元素都会有相应的谱线与之对应。”

  时光不负情深。随着LAMOST巡天计划的开展,其海量恒星光谱观测能力在天文基础研究中逐渐显现——最终,科研人员在LAMOST海量的光谱数据中发现了一条罕见光谱,确定其来自于一颗锂丰度异常高的恒星。

  经过进一步跟踪观测,科研人员发现,这颗奇特恒星的质量不足太阳的1.5倍,半径约为太阳的15倍,是一颗典型的巨星。接着,他们对其锂丰度进行了精确测量,发现这颗恒星绝对锂丰度高达4.51,相当于太阳中锂含量的3000倍,是目前人类已知的锂元素含量最高的巨星,称得上“奇珍异宝”。

  “这颗奇特恒星的发现刷新了人类对天体中锂含量的认知,将国际上富锂巨星的锂含量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。”闫宏亮表示。

  奇特星体是怎样炼成的

  科学家深入研究发现,这颗恒星的锂元素很可能来自其内部的一种特殊物质交换过程

  这颗奇特星体究竟是如何形成的?天文学家们曾提出过一些有趣的猜想。一种设想是,富锂巨星可能诞生于一次灾难级事件,比如恒星吞噬了自己的行星。这种貌似只有好莱坞大片中才有的情节,在闫宏亮看来,并不罕见。因为,锂元素具有易消耗的特性,“这种元素在行星中反而更容易稳定存在,所以恒星吞噬了自己的行星并霸占了原本属于行星的锂,并非毫无根据”。

  不过,根据中国科学院国家天文台最新披露的数据,这一猜测并不成立。闫宏亮说,这颗巨星的锂含量实在是太高了,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会超过这颗恒星中锂含量的二百分之一。

  那么,这些锂来自何处?国家天文台与中国原子能科学研究院等机构的科学家对这颗奇特恒星继续开展深入研究发现,这颗恒星的锂元素很可能来自恒星内部的一种特殊的物质交换过程,并在理论上对锂元素合成和现有恒星演化理论提出了新观点:产生极高含量的锂元素很可能需要借助一种特殊的不对称对流,只有在它的帮助下,由巨星形成的铍元素才能快速搬运到恒星表面,让它在比较低温的区域变成稳定存在的锂。

  “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。”在闫宏亮看来,关于富锂巨星的形成原因一直众说纷纭,我国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。

  这颗富锂巨星的发现,事实上只是LAMOST“牛刀小试”。

  利用LAMOST数据的大样本优势,科学家们重新认识了银河系主体部分——银盘的大小。银盘是恒星、尘埃和气体组成的扁平盘,在银河系可探测到的物质中,有九成都在银盘范围以内。原来,科学家们认为银盘的半径约为5万光年,但目前推测,半径在10万光年左右。这一成果使天文学家开始重新审视星系形成及宇宙演化的一般规律。

  LAMOST还改写了银河系晕的结构特征。新的数据发现,银河系晕为内扁外圆的新结构,这推翻了前人关于恒星晕是一个轴比不变的扁球体的猜测,对于理解银河系恒星晕的形成历史和演化提出了新的挑战。

  年老的贫金属星就像化石一样记录了宇宙化学演化的最初历史,对它们的分析,可以实现对第一代恒星和早期宇宙本质的“恒星考古”。对此,天文学家在郭守敬望远镜光谱中已发现万余颗金属含量低于太阳百分之一乃至万分之一的贫金属星,构建了目前世界上最大的、适合现有大望远镜跟踪观测的“宇宙化石”样本。

  此外,精确估算了上百万颗恒星的年龄;测量近6000颗类太阳恒星的磁活动指数,证实太阳有爆发超级耀斑的可能;首次测量了近700颗系外行星的轨道偏心率,发现太阳系在宇宙中具有一定代表性,有助于寻找“第二个地球”;发现了新的太阳系外行星族群——热海星……

  LAMOST光谱巡天如今仍在继续。未来,人类是否能够发现锂含量更高的“锂富豪”天体?锂元素留下的种种谜团最终能否解开……我们拭目以待。(沈 慧)

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