富鋰巨星解密：一曲光與振動之歌

今年國慶期間，有不少小伙伴看到了一則關(guān)于富鋰巨星的研究報道，說的是天文學(xué)家們基于我國重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠鏡（英文縮寫LAMOST）以及開普勒太空望遠鏡，通過監(jiān)聽恒星的“心跳”，證明了這些長久以來被認為是“紅巨星”的天體，其實是更加年老的“紅團簇星”。

圖1. 富鋰巨星所譜寫的一曲光與振動之歌（圖源：喻京川/北京天文館）

相信一定會有小伙伴表示，上面這些字每個我都認識，就是連起來不知道說的是啥！事實上，這已經(jīng)不是《自然·天文》第一次討論這類天體。富鋰巨星為何頻受關(guān)注，最新的成果究竟是什么意思，背后又有哪些有趣的故事？

別急今天我們就來給大家捋一捋這個話題！

富鋰巨星——宇宙的鋰電池？

說到鋰元素，現(xiàn)代人并不陌生，無論是智能手機、平板電腦，還是無人機、電動汽車，都在使用鋰電池供電。這個在近十年才陸續(xù)進入大眾視野中的“新興”元素，其實幾乎和宇宙一樣古老。

事實上，鋰是宇宙最早形成的元素之一。但是，鋰元素在宇宙中很多天體內(nèi)的含量，卻與理論表現(xiàn)出較大的差異，這個問題一直困擾著天文學(xué)家。富鋰巨星就是這種矛盾的一個典型例子。

“巨星”是恒星在演化到生命晚期階段時的名字，因為它們經(jīng)歷了一個“發(fā)?！钡倪^程，和處于青壯年的恒星相比，身形巨大得多（圖2）。顧名思義，“富鋰巨星”的鋰元素含量遠超同類的“巨星”天體。它們在晚期的小質(zhì)量恒星中只占1%，但其大氣中所蘊含的鋰元素卻比其余的99%高出成百上千倍。看來在宇宙里，貧富差距也是蠻巨大的。

圖2. 恒星的暮年——巨星，它與太陽的對比（圖源：NASA）

在標準恒星模型中，富鋰巨星是如同禁忌般的存在。因為巨星階段恒星內(nèi)部會出現(xiàn)大尺度對流，而鋰元素的生存能力嘛……極差!它們一旦被對流帶入溫度高達百萬度的恒星內(nèi)部，立刻就會Game Over，巨星表面的鋰元素含量理應(yīng)不斷減少才對。

但是1982年，天文學(xué)家卻發(fā)現(xiàn)了一顆鋰含量異常高的晚年恒星，并且在此之后，更多這類恒星被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。例如，之前我們報道過由LAMOST所發(fā)現(xiàn)的富鋰巨星王者“TYC429-2097-1”，其鋰含量超過我們的太陽3000倍之多，是目前人類已知的鋰豐度最高的恒星。相關(guān)內(nèi)容您可以點擊如下鏈接閱讀：“貴族”富鋰巨星現(xiàn)身宇宙

如果我們把地球上所有的汽車（約14億輛）全部換成電動汽車，并且用這顆恒星上的鋰做成電池給它們供電，那么大家可以來一趟說走就走的星際旅行，這14億輛電動汽車可以同時開到任何一個在夜空中能看到的恒星上。

正是由于富鋰巨星中巨額鋰元素的來源不明，因此天文學(xué)家一直試圖解開這些“少數(shù)派”神秘面紗。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)，這個問題亟待解密。

恒星也用濾鏡？——假裝年輕百萬歲

為了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出現(xiàn)的。

像太陽一樣的恒星會持續(xù)發(fā)光長達百億年，其能量是來自于恒星中心的氫(H)核聚變。但是當(dāng)中心的H完全轉(zhuǎn)變成氦(He)之后，核心燃燒停止。為了支撐恒星并繼續(xù)發(fā)光發(fā)熱，He核外圍的H會繼續(xù)燃燒，此時恒星會快速膨脹，顏色變紅，和原來的恒星相比，如同一個紅色的巨人，因此被稱為“紅巨星”（見圖2）。

傳統(tǒng)上，一般認為多數(shù)富鋰巨星的演化階段為“紅巨星”。造成這種認知的主要原因有兩點，一是從恒星的外表來看，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程中，恒星內(nèi)部可能產(chǎn)生十倍于普通對流速度的特殊對流，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。但是，這里面一直存在著一個致命的隱患。

隨著恒星的繼續(xù)演化，紅巨星中心的氦會積攢得越來越多，壓力和溫度也越來越高。終于在某個瞬間，氦核被點燃了。一個穩(wěn)定燃燒的新心臟出現(xiàn)，恒星進入了一個嶄新的階段——“紅團簇星”。和剛剛進入“紅巨星”的恒星相比，這兩個年齡相差可達百萬年的恒星從表面上看長得幾乎完全相同（圖3）！

圖3. 小質(zhì)量類太陽恒星演化示意圖。黃色箭頭標記了恒星演化的軌跡。紅巨星的初期與紅團簇星大小相似，顏色相同（圖源：青木和光/日本國立天文臺）

因此，一直被認為多數(shù)是“紅巨星”的富鋰巨星，其真實身份值得懷疑！它們可能只是想“看起來年輕”而已。但問題是如何鑒別呢？答案是“心臟”。盡管長相相似，但這兩類恒星的“心臟”卻完全不同。

最新發(fā)表的這項研究，就是通過監(jiān)聽一大群LAMOST光譜中所發(fā)現(xiàn)的富鋰巨星的心跳，來完成反轉(zhuǎn)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)，測量了富鋰巨星心臟的跳動規(guī)律，如同給每顆恒星做了心電圖。不檢不要緊，一檢查就發(fā)現(xiàn)，原來超過80%的富鋰巨星根本不是我們之前所認為的“紅巨星”！它們的真實身份是更加晚年的“紅團簇星”，我們被富鋰巨星“蒙騙”了數(shù)十年。

天文學(xué)家還進一步發(fā)現(xiàn)，不同類型的富鋰巨星在鋰含量、恒星質(zhì)量等多個方面均與傳統(tǒng)認知存在顯著不同。這些發(fā)現(xiàn)很難用目前的理論進行解釋。因為數(shù)十年來，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。但是，由于內(nèi)部的物理環(huán)境全然不同，原有的理論并不適用于“紅團簇星”。

星震——是心電圖更是測謊儀？

在鑒別的過程中，恒星的“心跳”起到了決定性的作用。恒星的心跳其實來自于恒星的振動——星震（沒有寫錯字哦）。那么，星震為何會成為探測恒星內(nèi)部的關(guān)鍵？恒星到底是怎么心跳的呢？

以太陽為例，它每時每刻都在成千上萬個頻率上“低聲細語”，這些噪音會使太陽的亮度發(fā)生微小的變化（圖4）。雖然科學(xué)家并不是真能聽到太陽的聲音，但是只要記錄下其亮度的變化，就可以知道太陽是如何振動的了。

圖4. 恒星星震示意圖，恒星中聲波的傳播（圖源：加那利群島天體物理研究所）

浩瀚蒼穹億萬恒星都在以它們自己獨特的振動頻率發(fā)出心跳的聲音，這就給我們分辨它們留下了線索。比如我們很容易就能分辨出講話的人是男是女，或者能夠分辨不同樂器的演奏音，這是因為不同的聲音的在不同頻段內(nèi)能量分布不一樣。

同樣地，由于不同的燃料和能量傳輸形式，紅巨星和紅團簇星的心臟跳動有著比較明顯的區(qū)別。一般來說，“紅巨星”的心率與“紅團簇星”相比更快一些。這種差異會通過恒星表面亮度的變化而被我們觀測到。這就是星震“心電圖”的工作原理。

肩負測量“心電圖”使命的的開普勒太空望遠鏡，是美國國家航天航空局于2009年發(fā)射的一顆用于搜尋類地行星的太空望遠鏡。它的探測精度可以達到20ppm（百萬分之一，V波段星等為12的恒星6.5小時累計曝光），這為探測星震信號提供了必要條件。

起源之謎——腦洞大開的并合理論

光譜與星震的結(jié)合，就像富鋰巨星所譜寫的一曲光與振動之歌。如今我們已經(jīng)知道，超過80%的富鋰巨星是紅團簇星，但我們的疑問并未就此解開，紅團簇星內(nèi)被認為沒有鋰元素的形成環(huán)境，那它們究竟來自何方？

天文學(xué)家提出了很多腦洞大開的解釋，比如其中一種理論認為，它們其實是來自兩顆恒星的合并，也許正如諾蘭的《信條》一樣，這些恒星都是時間的逆行者。

圖6. 天文學(xué)家通過監(jiān)測恒星的心跳和分析它們的光譜揭秘富鋰巨星的真實身份（圖源：喻京川/北京天文館）

由于篇幅有限，這里我們只簡單描述一下它的現(xiàn)象，相關(guān)的理論日后也許可以單獨出一篇文章來進行解讀。白矮星是百分之九十以上恒星的最終歸宿，如果不出意外，孤獨的白矮星將向著命運指定的方向慢慢終老。但如果白矮星有伴星，且與它碰撞到了一起，則可能“返老還童”，巧妙騙過命運的監(jiān)督，形成一顆紅團簇星。

在并合過程中，通常會同時伴隨著核反應(yīng)的發(fā)生，這些鋰元素正是在并合恒星內(nèi)部高溫區(qū)域生成，并通過外殼對流挖掘到了恒星表面，由此形成了富含鋰元素的紅團簇星。當(dāng)然，還有說法認為紅團簇星中的鋰元素可能是“氦閃”造成的，相信未來還會有更多相關(guān)理論被提出，準備好和小伙伴們一起“吃瓜”吧。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41550-020-01217-8

作者簡介閆宏亮，國家天文臺副研究員，目前鋰豐度最高恒星的主要發(fā)現(xiàn)者。研究方向為天體元素豐度，化學(xué)特殊星以及元素在銀河系中的起源與演化。

張先飛，北京師范大學(xué)天文系副教授，主要研究興趣為恒星結(jié)構(gòu)與演化，雙星演化與特殊恒星形成，致密天體形成與引力波，星團及銀河系結(jié)構(gòu)與演化。

李亞光，悉尼大學(xué)博士，研究方向為星震學(xué)，恒星結(jié)構(gòu)與演化。

周渝濤，北京大學(xué)博士后 ，主要研究方向為恒星元素豐度，銀河系結(jié)構(gòu)與演化。

責(zé)編：萬昊宜、李 雙、袁鳳芳

編輯：趙宇豪、柒 柒