宇宙「貴族」富鋰巨星現身

編者按：北京時間8月7日凌晨，國際科學期刊《自然 · 天文》（Nature Astronomy）在線發布我國天文學家的一項重大發現，以中國科學院國家天文台為首的科研團隊依託國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST）發現一顆奇特天體，它的鋰元素丰度約是同類天體的3000倍，這是目前人類已知鋰元素丰度最高的恆星。這一發現到底有何重要意義？請聽發現者之一的閆宏亮博士娓娓道來。

簡單元素的複雜難題

說起鋰元素，大家都不陌生，小到你拿在手裡的手機、平板電腦，大到無人飛行器、電動汽車，都在使用鋰電池供電。美國一家公司甚至成功將鋰電池模組併入到紐約電力網路中，用來滿足紐約市民用電高峰的需求。除此之外，鋰元素還被大量應用於航空航天、國防軍工等領域。可見，鋰元素與電池的完美結緣，成為了現代科技革命的「重頭戲」。

圖1 沒有鋰電池就沒有現代手機、電動汽車的普及。

圖片來源：9to5mac.com, Teslarati.com

鋰元素的原子結構非常簡單，它緊隨氫和氦，排在化學元素周期表的第三位。然而如此簡單的元素，卻一直困擾著科學家，因為鋰引出的難題實在太多了。

第一個問題：科學家發現古老恆星中的鋰太少了。大爆炸產生了宇宙中最初的3種元素，分別是氫，氦和鋰，而誕生於宇宙初期的古老恆星保留了這些原材料。天才的粒子物理學家們通過計算，可以推斷每種元素究竟產生了多少，而且和觀測到的數量基本吻合。只有鋰元素除外，因為在古老恆星中觀測到的鋰含量只有計算預期值的一半。

第二個問題：恰恰相反，科學家們又發現星際物質中鋰太多了。天文學家在星際物質中發現鋰的含量（鋰與氫的比例）比大爆炸理論所預言的高4倍左右。星際物質因為其自身特性，是無法產生鋰的，必須要藉助宇宙射線的幫助。不過即使算上所有可能性，產量也不到星際物質中鋰丰度的一半。

第三個問題：所有恆星在誕生時候都是含鋰的，但演化到巨星（恆星演化後期）階段時絕大多數的鋰會被消耗掉，那麼今天的主角出現了——富鋰巨星存在嗎？它有什麼特別之處呢？

圖2 粒子物理學家可以計算出宇宙是如何誕生的。

圖片來源：The Big Bang Theory

為了解答鋰元素製造的這些問題，科學家們在浩瀚的宇宙中不斷探索、前行。

富鋰巨星的搜尋之旅

恆星如同人類一樣，會誕生、成長、衰老、死亡。而巨星階段是恆星暮年的開始，幾乎任何一顆恆星都要經歷這樣一個階段。在標準恆星模型中，恆星在巨星階段會把自身的鋰元素「消化」掉，成為一個在表面上幾乎探測不到鋰元素的天體。

圖3 恆星的暮年——紅巨星與太陽的對比。

圖片來源：NASA Goddard Space Flight Center

這樣的預言在相當長一段時間內都被認為是正確的。直到1981年，兩位天文學家George Wallerstein和Chirs Sneden利用一架小望遠鏡發現了一顆特殊的恆星，它的光譜非常奇特，在本不該有譜線的地方發現了一條很強的鋰線。他們覺得這種現象極為罕見，也無法給出確切的解釋。這種特殊的天體很快成為了大家關注的焦點，人們稱之為富鋰巨星。

為了搞清楚富鋰巨星的來龍去脈，科學家們便開始搜集這類天體樣本。然而讓人大跌眼鏡的是，他們發現富鋰巨星的數量實在是少的可憐，大概只佔巨星的0.5%-1%左右。因此搜尋富鋰巨星的工作就如同星海里撈針，非常困難。

我國自主設計建造的郭守敬望遠鏡（LAMOST）大規模巡天的開展，為搜尋富鋰巨星提供了寶貴的機遇。

近日，國家天文台閆宏亮博士、趙剛研究員、施建榮研究員等人利用LAMOST數據發現一顆奇特天體，居住在銀河系中心附近的蛇夫座，距離地球約4500光年。它的質量不足太陽的1.5倍，鋰元素含量卻是太陽的3000倍。更重要的是，它是目前人類已知的鋰元素丰度最高的巨星，絕對稱得上「奇珍異寶」。這一發現刷新了人類對富鋰巨星的認知，也成為人類研究富鋰現象的絕佳樣本。

目前，這一研究成果於北京時間2018年8月7日在線發表於《自然 · 天文》（Nature Astronomy）雜誌。

圖4 發現鋰丰度最高恆星的示意圖

繪圖：中國國家天文

富鋰巨星的前世今生

關於富鋰巨星如何形成至今沒有定論。不過一些有趣的猜想卻值得一提。比如，一些理論認為富鋰巨星可能誕生於一次災難級事件，那就是恆星吞噬了自己的行星。這種貌似只有好萊塢大片中才應該有的情節，其實在天文學中並不罕見。

由於鋰元素易消耗的特性，這種元素在行星中反而更容易穩定存在。因此天文學家懷疑是恆星吞噬了自己的行星並「霸佔」了原本屬於行星的鋰，這並不是沒有道理。

正如發現富鋰巨星的Wallerstein和Sneden調侃道，居住在那裡的外星人們突然發現他們內層的行星都被自己的「太陽」給吃掉了，一定正尖叫著對宇宙發出各種求救信號，期待著其他種族能夠前來營救他們。

圖5 不斷膨脹的紅巨星將周圍的行星吞噬。

圖片來源：How the Universe Works

另外一種想法則認為這些鋰元素來自恆星內部。巨星可以形成鈹元素，而這種元素很容易就會衰變成鋰。但困難是讓形成的鋰元素不被恆星內部的高溫所破壞，就需要一種運輸方式將鈹元素快速搬運到恆星表面，讓其在比較低溫的區域變成鋰。

數值模擬表明藉助不對稱對流，產生如此高的鋰是完全有可能的。這種對流就像是在恆星上安裝了兩種管道，一種管道粗，另一種管道細，在固定的時間裡流過相同量的物質，細的管道流速一定更快。那麼恆星中的物質是如何通過這種不對稱對流形成大量鋰元素的呢，假如科技條件成熟，你也許可以坐在一艘密封艙內親眼去看一看。

當你安全地進入這顆恆星的大氣後，你會發現它表面的物質可能正如沸水一般翻騰。你的密封艙還沒來得及穩定，就在驚濤海浪之中沉入了恆星深層。在這個過程中，你的探測器會告訴你周圍的物質正在快速轉化。

在沿著粗管道經歷漫長地下潛之後，你似乎可以看到下方不遠處就是這顆恆星劇烈燃燒的內核，很多氦元素正在轉化成鈹。你正想仔細觀測這個過程，密封艙已經進入了用來快速上升的細管道。它像火箭一樣開始急劇加速，你幾乎無法再看清任何事物，甚至兩眼發黑。

就在你還沒來得及尖叫時，探測器可能已經回到了恆星表面。你發現周圍的物質又開始變化了，它們正從鈹迅速轉變成鋰。你的密封層此時如同大海中的孤舟，正漂浮在一片鋰的海洋之中。

圖6 乘坐密封艙進入恆星

圖片來源：維基百科

這顆奇特恆星的發現刷新了人類對天體中鋰丰度的認知，將國際上的鋰丰度觀測極限提高了一倍，它將作為一個獨特的樣本在以後的科學研究中持續發揮價值。同時，關於富鋰巨星的形成原因也一直眾說紛紜，我們的科學家在理論上對鋰元素的合成和恆星演化理論提出獨樹一幟的新觀點，在一定程度上改變了人們對富鋰巨星的傳統認知。

LAMOST光譜巡天仍然在繼續。接下來，人類是否能夠發現鋰含量更高的「鋰富豪」天體？究竟是什麼機制觸發了增強的對流？我們最終能否解開鋰元素留下的種種謎團？…… 讓我們拭目以待。

來源：中國科學院國家天文台

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