類太陽恒星中鋰的秘密:毀滅亦有新生
2020年07月07日10:45
氦核燃燒示意圖
氦核燃燒示意圖

  7月7日消息:在類太陽恒星中,高含量的鋰元素罕見嗎? 類太陽恒星會產生鋰元素嗎?它發生在恒星演化的哪個階段?

  中國科學院國家天文台趙剛研究員和Kumar博士領導的國際團隊,利用我國重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡(LAMOST)光譜數據及國際GALAH巡天數據發現類太陽恒星經過氦閃後普遍可以產生鋰元素,該發現解開了上述謎題。2020年7月6日,這一研究成果發表在國際知名天文期刊《自然·天文》(Nature Astronomy)。

  鋰通常用於現代通訊設備和運輸行業。手機、平板電腦、電動汽車等都使用鋰電池供電。此外,鋰元素還被大量應用於航空航天、國防軍工等領域。但你是否想過,鋰元素從何而來?

  絕大多數鋰的起源可以追溯到同一個事件,那就是大約138億年前發生的宇宙大爆炸,也就是宇宙的起源。鋰是目前已知的在宇宙早期大爆炸中最早產生的三種元素之一(另外兩種是氫和氦)。一直以來,鋰元素是連接宇宙大爆炸、星際物質和恒星的關鍵元素,對鋰元素的研究是宇宙和恒星演化的重要課題。

  宇宙大爆炸時期的鋰含量小幅增長,主要是由於高能宇宙射線轟擊星際介質中較重的原子核,如碳和氧,將它們分裂成較小的原子,如鋰。與其他元素不同,研究人員普遍認為鋰元素將會在恒星中逐漸消失。

恒星中鋰元素從主序經過紅巨星、氦閃(紅巨星上端)到紅團簇的氦核燃燒階段的演化。虛線為模型預測。紅色符號帶代表紅團簇星的氦核燃燒階段。
恒星中鋰元素從主序經過紅巨星、氦閃(紅巨星上端)到紅團簇的氦核燃燒階段的演化。虛線為模型預測。紅色符號帶代表紅團簇星的氦核燃燒階段。

  這是由於鋰在恒星內部相對較低的溫度下(250萬度,即一百萬度的幾倍)參與核反應,再經過與外部大氣的混合,最初的鋰就會在恒星生命週期中消失。比如太陽和地球的組成元素高度相似,且被認為幾乎同時形成,但太陽中的鋰含量卻比地球中的鋰含量低了100倍。

  隨著觀測技術的進步,人們陸續發現,部分類太陽恒星(在銀河系中大約占1/100)大氣中的鋰含量非常高,在某些情況下,甚至比理論模型預測高出10萬倍。到底什麼原因導致了類太陽恒星中鋰含量異常升高?這個問題在過去四十年里一直困擾著研究人員。

  借助GALAH、LAMOST和GAIA巡天數據,研究團隊發現了類太陽恒星經過氦閃後普遍可以產生鋰元素,解開了上述謎團。論文第一作者Kumar博士說:研究團隊系統地研究了晚期類太陽恒星中鋰丰度異常升高的現象。

  令人驚訝的是,類太陽恒星經過氦閃後鋰丰度異常升高的現像極為普遍。氦閃是類太陽恒星中的一個標誌性事件,在恒星演化的晚期,其核心不斷積累氦元素,並導致溫度和壓力持續上升。這個巨大的氦核最終被點燃,發生劇烈失控地核燃燒,就像在恒星內部引爆了一顆氦原子彈,在幾分鐘內釋放出相當於整個銀河系的能量。

  理論模型預測經曆此階段的恒星鋰含量應該非常低,但實際上,觀測卻發現這些恒星的鋰含量平均高出理論預測值的200多倍,這表明類太陽恒星通過氦閃產生了新的鋰元素。由於氦閃是類太陽恒星演化過程中必然會經曆的過程,因此類太陽恒星經過氦閃後普遍會產生鋰元素。LAMOST數據在鑒別氦閃恒星的過程中發揮了重要作用。

  此外,該研究還提出了一個新的標準來鑒別被稱為富鋰巨星的天體,照此標準,人們在過去40年間所發現的富鋰巨星可能只是宇宙中的冰山一角。

  據研究團隊負責人、論文共同通訊作者趙剛研究員介紹:對我們而言,下一步研究的關鍵是瞭解鋰在氦閃和混合機製之間的核聚變,這裏依然包含著很多未解之謎。

  註:目前宇宙大爆炸模型預測的原初值A(Li)=2.7dex(以對數尺度測量為A(Li)=log n(Li)/n(H) +12,其中n是原子數密度)作為原始或大爆炸值。在星際介質(ISM)或非常年輕的恒星中約為A(Li) = 3.3dex,比原初值多4倍。

  來源:中國國家天文台  

關注我們Facebook專頁