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與生俱來還是意外之財?這些恒星為何多點鋰

作者:李陳默    欄目:新聞    來源:西部熱線    發布時間:2018-02-24 21:56

與生俱來還是意外之財?這些恒星為何多點鋰

茫茫宇宙之中,似乎有極少數的小質量恒星不知道從什么神秘的地方得到了一些多余的鋰元素,使自己成為了極其稀有但卻非常重要的一類恒星——鋰超豐恒星。最近中日天文學家利用郭守敬望遠鏡(LAMOST)和斯巴魯望遠鏡(Subaru)合作發現了其中的十二顆。這些小質量的鋰超豐恒星著實給理論學家出了個難題。

物以稀為貴的鋰元素

宇宙中所有的鋰,甚至于地球上最具開采潛力的、位于南非的鋰礦中的鋰,全部都來自于大爆炸的那一刻。倘若沒有原初核合成產生的看似微量的鋰,今天的我們甚至都用不上輕便高效的鋰電池。

大爆炸之后的宇宙就像一鍋滾燙的裝滿了各種微小粒子的濃湯,在其迅速膨脹和冷卻的過程中僅用了三分鐘就完成了元素合成的第一階段:依次產生了氫原子、重氫(氘)、氦核和極少量的鋰。對于維持生命來說至關重要的碳氮氧等其他更重的元素,也就是天文學上所謂的“金屬”元素都是在恒星內部經過隨后的數十億年時間逐步合成的。這也是大爆炸標準核合成理論的基本出發點。

由此可見,無論對于恒星物理或者標準宇宙學,鋰都是一個非常重要但是難以測量的元素。尤其對于鋰元素而言,并不存在真實的化學演化。因為宇宙中所有的鋰,甚至于地球上最具開采潛力的、位于南非鋰礦中的鋰,全部都來自于大爆炸的那一刻。倘若沒有原初核合成產生的看似微量的鋰,今天的我們甚至都用不上輕便高效的鋰電池。

銀河系中的第一代恒星就誕生在原初的“零金屬”環境中,因此形成于宇宙早期的、年老的恒星通常都具有與宇宙原初相似的化學組分——只含有極少量的金屬(貧金屬)和極少量的鋰。顯而易見,貧金屬星中探測到的鋰與原初合成鋰的過程息息相關。

上世紀八十年代,實測天體物理學家發現處于演化初期的貧金屬星,由于大氣表面較為穩定,其表層的鋰含量基本是個常數。然而這個常數對應的鋰豐度要比標準大爆炸理論給出的原初鋰豐度低2.5倍。

考慮到原初鋰豐度的測量精度,這似乎暗示著貧金屬星的鋰含量并不直接等同于原初值。也正因為這樣,研究貧金屬星的鋰豐度是幫助我們理解這兩者之間的差異以及早期恒星與星系對于宇宙中鋰含量影響的關鍵。

不走尋常路的鋰超豐紅巨星

非常意外地,人們在觀測中發現了少量不同尋常的貧金屬紅巨星,它們的大氣表層具有超出正常含量的鋰元素,實實在在地給天文學家出了個難題。

在溫度超過250萬開爾文的恒星內部,鋰很容易通過進一步核反應被瓦解,從而無法在恒星內部留存下來。隨著小質量恒星在演化軌跡上不斷行進,它們表面的鋰含量通常還會繼續降低。當它們演化到紅巨星(太陽類型恒星的演化后期)階段時,恒星內部缺乏鋰的物質會通過對流與大氣表面物發生混合,從而進一步稀釋恒星表層的鋰含量,使其降低一個量級以上。這是經典的小質量恒星結構與演化模型所描述的鋰豐度演化過程,對于銀河系球狀星團的系統性觀測也得到了與之相符的結果。

非常意外地,人們在觀測中發現了少量不同尋常的貧金屬紅巨星,它們的大氣表層具有超出正常含量的鋰元素,被稱為“鋰超豐”。然而在過去的幾十年里,天文學家只成功地發現了十幾顆這類鋰超豐的小質量紅巨星。雖然在這些貧金屬紅巨星中的鋰超豐程度還不足以解釋宇宙學上的鋰豐度之謎,但卻實實在在地給天文學家出了個難題。

小質量恒星演化模型一直被認為是天體物理領域相對比較成熟的理論,但是卻沒有預料到半路殺出這些鋰超豐的小質量紅巨星。天文學家的直覺告訴他們,如果一顆小質量紅巨星表面含有顯著超出正常含量的鋰元素,一種可能是它在演化初期就已經通過某種外部途徑獲得了如此大量的鋰,另一種可能就是小質量恒星演化模型的某些理論需要調理一下了。

于是理論學家開始提出各種不同的機制試圖解釋小質量恒星中多出來的這些鋰。比較流行的理論包括:紅巨星階段發生了外部混合,這種過程最可能發生在紅巨星團簇的某個特定演化位置;吸積并吞食含有大量鋰元素的小天體或者行星;在雙星系統中從極其富鋰伴星中吸積轉移過來的物質。這些理論能夠一定程度解釋光度較高(演化后期)的恒星中的鋰超豐,但卻始終沒有一個成熟的模型來解釋光度較低(演化初期)恒星中的鋰超豐現象。這也使之成為小質量恒星演化理論的難題。而系統的研究鋰超豐貧金屬星則成為解決這一難題的最有利突破口了。

中日聯手的完美新發現

兩個望遠鏡成功發現了十二顆鋰含量異常超高的貧金屬恒星。其中一顆恒星的表面鋰豐度甚至高出同類恒星的100倍,妥妥地成為了目前已知的具有最高鋰豐度的恒星,也成為了理論解釋的最大難點。

由于貧金屬星非常稀缺,例如在十萬顆太陽鄰域的恒星中才能找到一顆,已經觀測到的鋰超豐貧金屬星更是鳳毛麟角,也尚未有系統的觀測研究來探究其起源。國家天文臺天體豐度研究團隊從2015年初開始利用LAMOST海量數據首次對這類特殊天體開展系統搜尋。通過與日本天文學家合作,他們利用LAMOST數據和Subaru望遠鏡成功發現了十二顆鋰含量異常超高的貧金屬恒星。這些貧金屬星的質量大都在0.8個太陽質量左右,比此前發現的鋰超豐恒星要更加年老。它們的發現有可能幫助天文學家解釋小質量恒星中這些額外的鋰從何而來,或者提示理論學家如何去修補多年來被人們廣泛認可的小質量恒星演化原理。

尤其令人驚訝的是,在這十二顆恒星當中,有五顆還處在它們生命的初期,亞巨星階段——即比通常的類太陽恒星稍晚,但尚未演化到紅巨星的階段。其中一顆恒星的表面鋰豐度甚至高出同類恒星的100倍,妥妥地成為了目前已知的具有最高鋰豐度的恒星,也成為了理論解釋的最大難點。在現有恒星演化理論框架下,處在亞巨星階段的恒星原則上無法產生顯著的內部混合,而用來解釋演化后期恒星鋰超豐的增豐機制也不大現實。因此很大可能它是通過與其他天體的作用獲取了如此大量的鋰。

有沒有可能是它吞掉了某顆不幸的富鋰小天體,比如巖質行星?首先,在如此低金屬豐度的恒星周圍形成行星的難度是相當大的。其次,即使鬼使神差地形成了行星,如果要產生在這顆極端鋰超豐恒星中觀測到的鋰含量,這顆行星的質量就需要超過太陽!形成如此大質量的巖質行星幾乎是不可能完成的任務。

會不會是這顆恒星偷吃了某顆伴星的大量鋰元素?如果真是這樣,理應造成視向速度的變化或者其他元素含量的異常超豐。然而,多次光譜及測光觀測的比對結果表明,它并沒有留下任何蛛絲馬跡。

近年,新星爆發被普遍認為是宇宙中鋰元素的可靠來源之一。而且通過這種方式產生的鋰超豐基本上不會造成其他可觀測的元素豐度的變化。所以,小質量恒星從新星的噴射物中吸積物質從而得到大量的鋰成為極其有趣的可能之一。無奈尚無關于這種機制的成熟模型,也只能暫時作為美麗的猜想罷了。

這個有趣的發現表明,這些小質量貧金屬星通過某種方式在其生命早期獲取了額外的鋰,只是眼下我們還無法確定這些鋰究竟從何而來。盡管這類鋰超豐貧金屬星非常稀少,但它們的起源將為小質量恒星的結構和演化理論提供全新的視角。而隨著蓋亞衛星觀測數據等新數據的釋放,我們能夠更準確地限制這些恒星的演化階段,揭示這些鋰超豐貧金屬星的前世今生。

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