天文學(xué)家被富鋰巨星“蒙騙”數(shù)十年 揭開宇宙中富鋰巨星的神秘面紗

中國(guó)、日本、法國(guó)、荷蘭、美國(guó)、澳大利亞等多國(guó)科研人員合作完成的關(guān)于富鋰巨星真實(shí)身份的重要天文研究成果論文，在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·天文》發(fā)表。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員趙剛、施建榮為論文共同通訊作者，中科院國(guó)家天文臺(tái)副研究員閆宏亮與博士周渝濤為論文共同第一作者。

宇宙中富鋰巨星的真實(shí)身份是什么，其鋰元素含量超過(guò)恒星演化理論值的上千倍是怎樣形成的，這一備受天文學(xué)界關(guān)注、事關(guān)宇宙起源與演化的“大案”，又將帶來(lái)哪些最新認(rèn)識(shí)?記者第一時(shí)間聯(lián)系中方專家，請(qǐng)他們講述這一宇宙“大案”破獲背后的故事。

“新興”元素

說(shuō)到鋰元素，現(xiàn)代人并不陌生，無(wú)論是智能手機(jī)、平板電腦，還是無(wú)人機(jī)、電動(dòng)汽車，都在使用鋰電池供電。鮮為人知的是，這個(gè)在近10年才陸續(xù)進(jìn)入大眾視野中的“新興”元素，幾乎和宇宙一樣古老。

據(jù)趙剛介紹，鋰是宇宙最早形成的元素之一。伴隨著137億年前的大爆炸，鋰元素在宇宙誕生后的20分鐘內(nèi)就出現(xiàn)了。作為構(gòu)成當(dāng)今物質(zhì)宇宙的基本元素之一，鋰元素可以說(shuō)連接了宇宙的過(guò)去與現(xiàn)在。

一個(gè)奇怪的現(xiàn)象是，鋰元素在宇宙中很多天體內(nèi)的含量卻與理論表現(xiàn)出較大差異，這個(gè)矛盾一直困擾著天文學(xué)家。

富鋰巨星就是這種矛盾的一個(gè)典型例子。趙剛說(shuō)，“巨星”是恒星在演化到生命晚期階段時(shí)的名字，因?yàn)樗鼈兘?jīng)歷了一個(gè)“發(fā)福”的過(guò)程，和處于青壯年的恒星相比身形巨大得多。

顧名思義，“富鋰巨星”的鋰元素含量，遠(yuǎn)超同類天體的“巨星”。它們?cè)谕砥诘男≠|(zhì)量恒星中只占1%，但其大氣中所蘊(yùn)含的鋰元素，卻比其余的99%都要高。

例如，此前由我國(guó)郭守敬望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的富鋰巨星王者——TYC429-2097-1，其鋰含量超過(guò)太陽(yáng)3000倍之多，是目前人類已知的鋰豐度最高的恒星。如果把地球上所有的汽車(約14億輛)全部換成電動(dòng)汽車，并且用這顆恒星上的鋰做成電池給它們供電，那么可以同時(shí)讓這14億輛電動(dòng)汽車開到任何一個(gè)你在夜空中能看到的恒星處，“來(lái)一趟說(shuō)走就走的星際穿越”。

在科研團(tuán)隊(duì)看來(lái)，由于富鋰巨星中巨額鋰元素來(lái)源不明，這其中很可能涉及對(duì)恒星演化理論和標(biāo)準(zhǔn)恒星模型的挑戰(zhàn)，因此，天文學(xué)家一直試圖揭開這些“少數(shù)派”神秘面紗，弄清大量的鋰元素究竟從何而來(lái)，特別是考慮到鋰元素的起源與演化還與宇宙中各類尺度的天體息息相關(guān)。

據(jù)施建榮介紹，為解開鋰元素在這些晚年的小質(zhì)量恒星中的起源之謎，就必須要知道大量的鋰究竟是在何時(shí)出現(xiàn)。恒星逐漸變老的過(guò)程在天文上叫做演化，如果能夠知道富鋰巨星所處的演化階段，就等于知道了鋰元素的形成時(shí)間，進(jìn)而反推它們的起源。

科學(xué)界對(duì)富鋰巨星的演化階段一直存在多種說(shuō)法，傳統(tǒng)上一般認(rèn)為小質(zhì)量富鋰巨星多數(shù)為“紅巨星”。造成這種認(rèn)知的主要原因有兩點(diǎn)：一是從恒星的外表來(lái)看，它們的溫度和亮度的確符合“紅巨星”的特征;二是在朝著紅巨星演化的過(guò)程中，恒星內(nèi)部可能產(chǎn)生10倍于普通對(duì)流速度的特殊對(duì)流，這種環(huán)境反而有利于鋰元素的形成，符合產(chǎn)生富鋰巨星的預(yù)期。

然而，這里面一直存在著一個(gè)致命的隱患——

隨著恒星的繼續(xù)演化，紅巨星中心的氦會(huì)積攢得越來(lái)越多，壓力和溫度也越來(lái)越高。終于在某個(gè)瞬間，氦核被點(diǎn)燃了，一個(gè)穩(wěn)定燃燒的新心臟出現(xiàn)，恒星進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段——“紅團(tuán)簇星”。和剛剛進(jìn)入“紅巨星”的恒星相比，這兩個(gè)年齡相差可達(dá)百萬(wàn)年的恒星從表面上看長(zhǎng)得幾乎完全相同。

因此，一直被認(rèn)為多數(shù)是“紅巨星”的富鋰巨星，其真實(shí)身份值得懷疑，它們可能只是看起來(lái)年輕而已。

被“騙”了數(shù)十年

問(wèn)題是，科學(xué)家如何對(duì)它們進(jìn)行鑒別?

施建榮介紹，盡管長(zhǎng)相相似，但這兩類恒星的“心臟”卻完全不同。最新發(fā)表的這項(xiàng)研究，就是通過(guò)監(jiān)聽(tīng)一大群由郭守敬望遠(yuǎn)鏡光譜中所發(fā)現(xiàn)的富鋰巨星的“心跳”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在研究中，天文學(xué)家使用了一種被稱為“星震學(xué)”的技術(shù)，測(cè)量了富鋰巨星心臟的跳動(dòng)規(guī)律，如同給每顆恒星做了“心電圖”。

不檢查不要緊，一檢查卻發(fā)現(xiàn)，原來(lái)超過(guò)80%的富鋰巨星根本不是學(xué)界之前所認(rèn)為的“紅巨星”，它們的真實(shí)身份是更加年長(zhǎng)的“紅團(tuán)簇星”。

就這樣，天文學(xué)家被富鋰巨星“蒙騙”了數(shù)十年。

天文學(xué)家進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，不同類型的富鋰巨星在鋰含量、恒星質(zhì)量等多個(gè)方面均與傳統(tǒng)認(rèn)知存在顯著不同。這些發(fā)現(xiàn)很難用目前的理論進(jìn)行解釋。

趙剛說(shuō)，因?yàn)閿?shù)十年來(lái)，絕大多數(shù)相關(guān)的理論都是基于“紅巨星”這一前提所提出的，甚至直到今年很多相關(guān)的理論研究也還在討論紅巨星內(nèi)的種種機(jī)制。但是，由于內(nèi)部的物理環(huán)境全然不同，原有的理論顯然并不適用于“紅團(tuán)簇星”。

恒星的“心跳”

值得一提的是，在鑒別“紅巨星”和“紅團(tuán)簇星”的過(guò)程中，恒星的“心跳”起到了決定性的作用。

據(jù)閆宏亮介紹，恒星的“心跳”其實(shí)來(lái)自恒星的震動(dòng)——星震。那么，恒星到底是怎么“心跳”的，星震學(xué)又是如何通過(guò)恒星的“心跳”了解真相呢?

科研人員以太陽(yáng)為例，它每時(shí)每刻都在成千上萬(wàn)個(gè)頻率上“低聲細(xì)語(yǔ)”。雖然科學(xué)家并不能夠真的“聽(tīng)到”太陽(yáng)的聲音，但是這些噪音使得太陽(yáng)的亮度發(fā)生微小的變化。所以只要記錄其亮度的變化，就可以知道太陽(yáng)是如何振動(dòng)的了。就像人們的心跳一樣，恒星的振動(dòng)代表著它身體內(nèi)部的信息，這些內(nèi)部信息用其他常規(guī)方法無(wú)法獲取，而星震的方法就如同醫(yī)生的聽(tīng)診器一樣傾聽(tīng)著恒星的“心跳”。

當(dāng)然，不同演化階段的恒星在振動(dòng)頻率上也有著明顯的差異。

閆宏亮說(shuō)，“紅巨星”和“紅團(tuán)簇星”由于不同的燃料和能量傳輸形式，它們的心臟跳動(dòng)有著十分顯著的區(qū)別：一般來(lái)說(shuō)，“紅巨星”的心率更快一些，而年紀(jì)更大的“紅團(tuán)簇星”則心率更慢。

此次肩負(fù)測(cè)量“心電圖”功能的是Kepler衛(wèi)星，這是美國(guó)國(guó)家航空航天局于2009年發(fā)射的一顆用于搜尋類地行星的太空望遠(yuǎn)鏡，其長(zhǎng)達(dá)4年不間斷地測(cè)光觀測(cè)使星震學(xué)技術(shù)成功應(yīng)用到富鋰巨星的研究當(dāng)中。

趙剛及其團(tuán)隊(duì)成員表示，多年來(lái)，富鋰巨星的身份一直迷惑著人們，由我國(guó)天文學(xué)家主導(dǎo)國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)最新完成的這一研究工作，通過(guò)“星震學(xué)”聽(tīng)診恒星“心跳”，解開了富鋰巨星的真實(shí)身份之謎，該研究成果促進(jìn)了恒星演化理論的完善，將加深人們對(duì)宇宙物質(zhì)形成的認(rèn)識(shí)。

中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 邱晨輝

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