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红巨星|科学大爆炸 揭开宇宙中富锂巨星的神秘面纱

红巨星|科学大爆炸 揭开宇宙中富锂巨星的神秘面纱
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富锂巨星示意图 。 中科院国家天文台国际科研团队供图
红巨星|科学大爆炸 揭开宇宙中富锂巨星的神秘面纱
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国际团队研究使用巡天数据的中国郭守敬望远镜(大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜 ， 英文缩写LAMOST)在星空下的资料图片 。 陈颖为/摄（中科院国家天文台供图）
北京时间10月6日 ， 中国、日本、法国、荷兰、美国、澳大利亚等多国科研人员合作完成的关于富锂巨星真实身份的重要天文研究成果论文 ， 在国际学术期刊《自然·天文》发表 。 中国科学院国家天文台研究员赵刚、施建荣为论文共同通讯作者 ， 中科院国家天文台副研究员闫宏亮与博士周渝涛为论文共同第一作者 。
宇宙中富锂巨星的真实身份是什么 ， 其锂元素含量超过恒星演化理论值的上千倍是怎样形成的 ， 这一备受天文学界关注、事关宇宙起源与演化的“大案” ， 又将带来哪些最新认识？采访人员第一时间联系中方专家 ， 请他们讲述这一宇宙“大案”破获背后的故事 。
“新兴”元素
说到锂元素 ， 现代人并不陌生 ， 无论是智能手机、平板电脑 ， 还是无人机、电动汽车 ， 都在使用锂电池供电 。 鲜为人知的是 ， 这个在近10年才陆续进入大众视野中的“新兴”元素 ， 几乎和宇宙一样古老 。
据赵刚介绍 ， 锂是宇宙最早形成的元素之一 。 伴随着137亿年前的大爆炸 ， 锂元素在宇宙诞生后的20分钟内就出现了 。 作为构成当今物质宇宙的基本元素之一 ， 锂元素可以说连接了宇宙的过去与现在 。
一个奇怪的现象是 ， 锂元素在宇宙中很多天体内的含量却与理论表现出较大差异 ， 这个矛盾一直困扰着天文学家 。
富锂巨星就是这种矛盾的一个典型例子 。 赵刚说 ， “巨星”是恒星在演化到生命晚期阶段时的名字 ， 因为它们经历了一个“发福”的过程 ， 和处于青壮年的恒星相比身形巨大得多 。
顾名思义 ， “富锂巨星”的锂元素含量 ， 远超同类天体的“巨星” 。 它们在晚期的小质量恒星中只占1% ， 但其大气中所蕴含的锂元素 ， 却比其余的99%都要高 。
例如 ， 此前由我国郭守敬望远镜发现的富锂巨星王者——TYC429-2097-1 ， 其锂含量超过太阳3000倍之多 ， 是目前人类已知的锂丰度最高的恒星 。 如果把地球上所有的汽车（约14亿辆）全部换成电动汽车 ， 并且用这颗恒星上的锂做成电池给它们供电 ， 那么可以同时让这14亿辆电动汽车开到任何一个你在夜空中能看到的恒星处 ， “来一趟说走就走的星际穿越” 。
在科研团队看来 ， 由于富锂巨星中巨额锂元素来源不明 ， 这其中很可能涉及对恒星演化理论和标准恒星模型的挑战 ， 因此 ， 天文学家一直试图揭开这些“少数派”神秘面纱 ， 弄清大量的锂元素究竟从何而来 ， 特别是考虑到锂元素的起源与演化还与宇宙中各类尺度的天体息息相关 。
据施建荣介绍 ， 为解开锂元素在这些晚年的小质量恒星中的起源之谜 ， 就必须要知道大量的锂究竟是在何时出现 。 恒星逐渐变老的过程在天文上叫做演化 ， 如果能够知道富锂巨星所处的演化阶段 ， 就等于知道了锂元素的形成时间 ， 进而反推它们的起源 。
科学界对富锂巨星的演化阶段一直存在多种说法 ， 传统上一般认为小质量富锂巨星多数为“红巨星” 。 造成这种认知的主要原因有两点：一是从恒星的外表来看 ， 它们的温度和亮度的确符合“红巨星”的特征；二是在朝着红巨星演化的过程中 ， 恒星内部可能产生10倍于普通对流速度的特殊对流 ， 这种环境反而有利于锂元素的形成 ， 符合产生富锂巨星的预期 。
然而 ， 这里面一直存在着一个致命的隐患——
随着恒星的继续演化 ， 红巨星中心的氦会积攒得越来越多 ， 压力和温度也越来越高 。 终于在某个瞬间 ， 氦核被点燃了 ， 一个稳定燃烧的新心脏出现 ， 恒星进入了一个崭新的阶段——“红团簇星” 。 和刚刚进入“红巨星”的恒星相比 ， 这两个年龄相差可达百万年的恒星从表面上看长得几乎完全相同 。
因此 ， 一直被认为多数是“红巨星”的富锂巨星 ， 其真实身份值得怀疑 ， 它们可能只是看起来年轻而已 。
被“骗”了数十年
问题是 ， 科学家如何对它们进行鉴别？
施建荣介绍 ， 尽管长相相似 ， 但这两类恒星的“心脏”却完全不同 。 最新发表的这项研究 ， 就是通过监听一大群由郭守敬望远镜光谱中所发现的富锂巨星的“心跳”来实现的 。
在研究中 ， 天文学家使用了一种被称为“星震学”的技术 ， 测量了富锂巨星心脏的跳动规律 ， 如同给每颗恒星做了“心电图” 。
不检查不要紧 ， 一检查却发现 ， 原来超过80%的富锂巨星根本不是学界之前所认为的“红巨星” ， 它们的真实身份是更加年长的“红团簇星” 。


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