挑戰(zhàn)傳統(tǒng)理論！科學家如何用“心電圖”揭秘富鋰巨星

光明網(wǎng)訊 北京時間10月6日凌晨，國際學術期刊《自然·天文》發(fā)布了一項由我國天文學家主導的國際科研團隊關于富鋰巨星真實身份的重要成果。借助我國重大基礎科技設施LAMOST巡天數(shù)據(jù)和美國開普勒太空望遠鏡的星震數(shù)據(jù)，研究團隊通過監(jiān)聽恒星的“心跳”，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)富鋰巨星其實都是紅團簇星，而不是傳統(tǒng)上所認為的紅巨星。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的恒星演化理論，對最終解開鋰元素的起源之謎至關重要。

天文學家揭秘富鋰巨星的真實身份（圖源：喻京川，北京天文館）

什么是富鋰巨星？

顧名思義，“富鋰巨星”的鋰元素含量遠超同類天體的“巨星”。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。

鋰含量巨大的富鋰巨星，就像放置在宇宙中的鋰電池。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。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，那么可以同時讓這14億輛車開到任何一個你在夜空中能看到的恒星處，來一趟所走就走的星際穿越。

富鋰巨星中巨額鋰元素來源不明，這其中很可能涉及對恒星演化理論和標準恒星模型的挑戰(zhàn)，因此天文學家一直試圖解開這些“少數(shù)派”神秘面紗，弄清大量的鋰元素究竟從何而來，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。

“心電圖”在檢查什么？

恒星如同人類一樣，有誕生、成長、衰老及死亡等過程。太陽就是一顆正處于青壯年時期的恒星。不過，隨著恒星不斷發(fā)光發(fā)熱，其內(nèi)部物質(zhì)會出現(xiàn)明顯的變化，并由此產(chǎn)生一系列改變。紅巨星和紅團簇星是恒星進入晚年后兩種不同階段，它們內(nèi)部進行核反應的物質(zhì)不完全相同，因此其結(jié)構和物理過程也具有顯著差異。

科學界對富鋰巨星的演化階段一直存在多種說法，不過傳統(tǒng)上一般認為小質(zhì)量富鋰巨星多數(shù)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”。

紅團簇星和紅巨星內(nèi)部結(jié)構示意圖。（圖源：青木和光，日本國立天文臺）

如果僅從表面上看，天文學家很難判斷一顆恒星究竟是紅巨星還是紅團簇星。“這是因為兩種恒星在溫度和光度方面相差無幾，就像我們很難判斷一位白發(fā)蒼蒼的老者到底是70歲還是80歲一樣，只能根據(jù)經(jīng)驗進行一個大致的估計，但并不一定非常準確”。論文共同通訊作者國家天文臺趙剛研究員對此解釋道。

檢查結(jié)果怎么樣？

分辨紅巨星與紅團簇星的“心電圖”，其實是星震學。國家天文臺閆宏亮副研究員介紹道“星震就像是恒星的心跳，能夠傳遞恒星內(nèi)部的真實信息?！?不同演化階段的恒星在振動頻率上也有著明顯的差異。一般來說，小年輕“紅巨星”的心跳得更快一些，而上了年紀的“紅團簇星”則心跳更遲緩。

恒星星震示意圖，恒星中聲波的傳播過程（圖源：加那利群島天體物理研究所）

不檢不要緊，一檢查卻發(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”。

天文學家還進一步發(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的理論研究也還在討論紅巨星內(nèi)的種種機制。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“紅團簇星”。

論文共同通訊作者，國家天文臺施建榮研究員評論道，“，原有的理論并不適用于紅團簇星，我們需要盡快尋找到這一觀測現(xiàn)象的真實原因”。對此，論文通過觀測數(shù)據(jù)檢驗了雙星合并產(chǎn)生富鋰巨星的理論，認為這是一種有潛力的方向。

“我們看到最近國際上提出了不少新的理論來解釋這個問題，”趙剛研究員說，“包括氦閃、雙星的合并、特殊的對流等等。下一步的關鍵就是去逐一檢驗這些理論，找到真像”。

據(jù)悉，該工作是由中國主導，包括來自日本、法國、荷蘭、美國以及澳大利亞等國科研人員參與的國際團隊合作完成的。在此研究中，多個望遠鏡的協(xié)同合作是取得成果的關鍵，除LAMOST和開普勒望遠鏡外，日本的昴星團望遠鏡、我國麗江觀測站的2.4米和1.8米望遠鏡均在觀測中發(fā)揮了重要作用。（記者宋雅娟 趙宇豪）