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与生俱来还是意外之财? 这些恒星为何多点锂

2018-02-22 10:01 来源:科技日报

  李海宁

  茫茫宇宙之中,似乎有极少数的小质量恒星不知道从什么神秘的地方得到了一些多余的锂元素,使自己成为了极其稀有但却非常重要的一类恒星——锂超丰恒星。最近中日天文学家利用郭守敬望远镜(LAMOST)和斯巴鲁望远镜(Subaru)合作发现了其中的十二颗。这些小质量的锂超丰恒星着实给理论学家出了个难题。

  物以稀为贵的锂元素

  宇宙中所有的锂,甚至于地球上最具开采潜力的、位于南非的锂矿中的锂,全部都来自于大爆炸的那一刻。倘若没有原初核合成产生的看似微量的锂,今天的我们甚至都用不上轻便高效的锂电池。

  大爆炸之后的宇宙就像一锅滚烫的装满了各种微小粒子的浓汤,在其迅速膨胀和冷却的过程中仅用了三分钟就完成了元素合成的第一阶段:依次产生了氢原子、重氢(氘)、氦核和极少量的锂。对于维持生命来说至关重要的碳氮氧等其他更重的元素,也就是天文学上所谓的“金属”元素都是在恒星内部经过随后的数十亿年时间逐步合成的。这也是大爆炸标准核合成理论的基本出发点。

  由此可见,无论对于恒星物理或者标准宇宙学,锂都是一个非常重要但是难以测量的元素。尤其对于锂元素而言,并不存在真实的化学演化。因为宇宙中所有的锂,甚至于地球上最具开采潜力的、位于南非锂矿中的锂,全部都来自于大爆炸的那一刻。倘若没有原初核合成产生的看似微量的锂,今天的我们甚至都用不上轻便高效的锂电池。

  银河系中的第一代恒星就诞生在原初的“零金属”环境中,因此形成于宇宙早期的、年老的恒星通常都具有与宇宙原初相似的化学组分——只含有极少量的金属(贫金属)和极少量的锂。显而易见,贫金属星中探测到的锂与原初合成锂的过程息息相关。

  上世纪八十年代,实测天体物理学家发现处于演化初期的贫金属星,由于大气表面较为稳定,其表层的锂含量基本是个常数。然而这个常数对应的锂丰度要比标准大爆炸理论给出的原初锂丰度低2.5倍。

  考虑到原初锂丰度的测量精度,这似乎暗示着贫金属星的锂含量并不直接等同于原初值。也正因为这样,研究贫金属星的锂丰度是帮助我们理解这两者之间的差异以及早期恒星与星系对于宇宙中锂含量影响的关键。

  不走寻常路的锂超丰红巨星

  非常意外地,人们在观测中发现了少量不同寻常的贫金属红巨星,它们的大气表层具有超出正常含量的锂元素,实实在在地给天文学家出了个难题。

  在温度超过250万开尔文的恒星内部,锂很容易通过进一步核反应被瓦解,从而无法在恒星内部留存下来。随着小质量恒星在演化轨迹上不断行进,它们表面的锂含量通常还会继续降低。当它们演化到红巨星(太阳类型恒星的演化后期)阶段时,恒星内部缺乏锂的物质会通过对流与大气表面物发生混合,从而进一步稀释恒星表层的锂含量,使其降低一个量级以上。这是经典的小质量恒星结构与演化模型所描述的锂丰度演化过程,对于银河系球状星团的系统性观测也得到了与之相符的结果。

  非常意外地,人们在观测中发现了少量不同寻常的贫金属红巨星,它们的大气表层具有超出正常含量的锂元素,被称为“锂超丰”。然而在过去的几十年里,天文学家只成功地发现了十几颗这类锂超丰的小质量红巨星。虽然在这些贫金属红巨星中的锂超丰程度还不足以解释宇宙学上的锂丰度之谜,但却实实在在地给天文学家出了个难题。

  小质量恒星演化模型一直被认为是天体物理领域相对比较成熟的理论,但是却没有预料到半路杀出这些锂超丰的小质量红巨星。天文学家的直觉告诉他们,如果一颗小质量红巨星表面含有显著超出正常含量的锂元素,一种可能是它在演化初期就已经通过某种外部途径获得了如此大量的锂,另一种可能就是小质量恒星演化模型的某些理论需要调理一下了。

  于是理论学家开始提出各种不同的机制试图解释小质量恒星中多出来的这些锂。比较流行的理论包括:红巨星阶段发生了外部混合,这种过程最可能发生在红巨星团簇的某个特定演化位置;吸积并吞食含有大量锂元素的小天体或者行星;在双星系统中从极其富锂伴星中吸积转移过来的物质。这些理论能够一定程度解释光度较高(演化后期)的恒星中的锂超丰,但却始终没有一个成熟的模型来解释光度较低(演化初期)恒星中的锂超丰现象。这也使之成为小质量恒星演化理论的难题。而系统的研究锂超丰贫金属星则成为解决这一难题的最有利突破口了。

  中日联手的完美新发现

  两个望远镜成功发现了十二颗锂含量异常超高的贫金属恒星。其中一颗恒星的表面锂丰度甚至高出同类恒星的100倍,妥妥地成为了目前已知的具有最高锂丰度的恒星,也成为了理论解释的最大难点。

  由于贫金属星非常稀缺,例如在十万颗太阳邻域的恒星中才能找到一颗,已经观测到的锂超丰贫金属星更是凤毛麟角,也尚未有系统的观测研究来探究其起源。国家天文台天体丰度研究团队从2015年初开始利用LAMOST海量数据首次对这类特殊天体开展系统搜寻。通过与日本天文学家合作,他们利用LAMOST数据和Subaru望远镜成功发现了十二颗锂含量异常超高的贫金属恒星。这些贫金属星的质量大都在0.8个太阳质量左右,比此前发现的锂超丰恒星要更加年老。它们的发现有可能帮助天文学家解释小质量恒星中这些额外的锂从何而来,或者提示理论学家如何去修补多年来被人们广泛认可的小质量恒星演化原理。

  尤其令人惊讶的是,在这十二颗恒星当中,有五颗还处在它们生命的初期,亚巨星阶段——即比通常的类太阳恒星稍晚,但尚未演化到红巨星的阶段。其中一颗恒星的表面锂丰度甚至高出同类恒星的100倍,妥妥地成为了目前已知的具有最高锂丰度的恒星,也成为了理论解释的最大难点。在现有恒星演化理论框架下,处在亚巨星阶段的恒星原则上无法产生显著的内部混合,而用来解释演化后期恒星锂超丰的增丰机制也不大现实。因此很大可能它是通过与其他天体的作用获取了如此大量的锂。

  有没有可能是它吞掉了某颗不幸的富锂小天体,比如岩质行星?首先,在如此低金属丰度的恒星周围形成行星的难度是相当大的。其次,即使鬼使神差地形成了行星,如果要产生在这颗极端锂超丰恒星中观测到的锂含量,这颗行星的质量就需要超过太阳!形成如此大质量的岩质行星几乎是不可能完成的任务。

  会不会是这颗恒星偷吃了某颗伴星的大量锂元素?如果真是这样,理应造成视向速度的变化或者其他元素含量的异常超丰。然而,多次光谱及测光观测的比对结果表明,它并没有留下任何蛛丝马迹。

  近年,新星爆发被普遍认为是宇宙中锂元素的可靠来源之一。而且通过这种方式产生的锂超丰基本上不会造成其他可观测的元素丰度的变化。所以,小质量恒星从新星的喷射物中吸积物质从而得到大量的锂成为极其有趣的可能之一。无奈尚无关于这种机制的成熟模型,也只能暂时作为美丽的猜想罢了。

  这个有趣的发现表明,这些小质量贫金属星通过某种方式在其生命早期获取了额外的锂,只是眼下我们还无法确定这些锂究竟从何而来。尽管这类锂超丰贫金属星非常稀少,但它们的起源将为小质量恒星的结构和演化理论提供全新的视角。而随着盖亚卫星观测数据等新数据的释放,我们能够更准确地限制这些恒星的演化阶段,揭示这些锂超丰贫金属星的前世今生。

  (作者系中科院国家天文台副研究员)

(责任编辑:王蔚)

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