我国科学家发现锂元素丰度最高的巨星

发现富锂巨星的示意图。

几天前，由中国科学院国家天文台领导的科学研究小组，依靠中国主要的科技基础设施——郭守敬望远镜，发现了一个奇怪的天体，它“生活”在蛇夫座，靠近银河系中心，距离地球约4500光年。它的质量不到太阳的1.5倍，但它的锂含量是太阳的3000倍。更重要的是，它目前被认为是锂含量最高的超级巨星。

为什么锂吸引了很多关注？什么是富含锂的超级巨星？它从哪里来？这一发现的意义是什么？带着这些问题，记者采访了中国科学院国家天文台的严宏良博士。

锂引发了许多科学问题

说到锂，每个人都应该熟悉它。它的原子结构非常简单，它是化学元素周期表中的第三种元素。锂是银白色的，是密度最低的金属，可以浮在水上。

在我们的日常生活中，我们经常可以看到锂的身影。例如，手机、平板电脑和电动汽车都是由锂电池供电的。此外，锂还广泛应用于航空航天、国防、军事等领域。

当然，锂不仅出现在日常生活中，它也是天体物理学中最受关注的元素之一。你为什么这么说？“因为锂可以用来追踪早期宇宙的一些信息，而由此产生的科学问题太多了！”严宏良说。

严宏良从这些问题中总结出三个主要问题，称之为“少”、“多”和“先多后少”。

一个“小”意味着古代恒星中锂太少。大爆炸产生了宇宙中的前三种元素，氢、氦和锂，这些元素被诞生于宇宙之初的第一代恒星所保留。粒子物理学家可以通过计算推断出每个元素实际产生了多少。然而，从第一代古恒星观测到的实际锂含量与计算的预期值不一致，只有计算的预期值的1/3-1/2。

一个“许多”意味着星际物质中有太多的锂。天文学家还发现，星际物质中锂的含量(锂与氢的比率)比大爆炸理论预测的高大约四倍。

严宏良说:“这很奇怪。与恒星不同，星际物质是存在于星系中的扩散物质。由于锂本身的特性，理论上无法生产。它必须借助宇宙射线。但即使将所有可能性都考虑在内，其输出也不到星际物质锂丰度的一半。”

“先多后少”意味着根据大爆炸理论，所有的恒星在诞生之初都含有锂，但是当它们进化到超级巨星阶段(恒星的老化阶段)时，大部分锂将被消耗掉。

“然而，我们这次发现的这种富含锂的超级巨星的存在无法用以前的理论来解释。这是为什么？”严宏良说。

为了解决这些由锂引起的问题，来自世界各地的科学家一直在不懈地探索和前进。

富含锂的巨星不符合标准恒星模型

恒星和人类一样，有出生、成长、衰老和死亡的过程。超级明星阶段是明星黎明的开始，几乎每个明星都要经历这个阶段。严宏良说:“在标准的恒星模型中，一颗恒星会在超级巨星阶段“消化”它的锂元素，成为一个几乎无法在表面检测到锂元素的天体。”

为什么会这样？

严宏良进一步解释道:“当恒星进入巨星阶段时，它们的体积会膨胀，它们的半径通常会膨胀十倍或几十倍。同时，它的内部会产生强烈的对流，导致锂从恒星表面被带入恒星内部。由于恒星内部的温度非常高，锂被消耗掉了。因此，巨星阶段恒星中锂的含量应该减少几十到几百倍。”

这种理论长期以来被认为是正确的。直到1981年，天文学家乔治·沃勒斯坦和克里斯·斯奈德用小型望远镜发现了一颗特殊的恒星。它的光谱非常奇怪，在原本不应该有光谱线的地方发现了一条很强的锂线。他们认为这种现象极其罕见，无法给出明确的解释。这个特殊的天体很快成为人们关注的焦点，并被称为富含锂的巨星。

那么，这个神秘的富含锂的巨星是如何形成的呢？

严宏良说:“对于富含锂的巨星是如何形成的，还没有明确的结论，但主要有两种理论推测:一种是恒星吞噬了自己的星球，并“占据”了原本属于这个星球的锂元素；另一个是这些锂元素来自恒星内部，巨星可以形成铍同位素，这种元素很容易衰变为锂。”

严宏良认为第一个猜测是合理的。“因为锂容易消耗，所以这种元素更容易在地球上稳定存在。”至于第二种猜测，他认为困难在于如何防止形成的锂元素被恒星内部的高温破坏。“这需要一种运输方式，将原材料铍快速运输到恒星表面，在相对较低的温度下将其转化为锂。但这怎么能做到呢？”

富锂超级巨星的数量非常少，这只能通过大量数据才能找到。

为了找出富含锂的超级巨星的因果关系，科学家们开始收集这些天体的样本。然而，他们发现富锂超级巨星的数量实在太少，只占超级巨星的0.5%-1%。

富锂超级巨星的数量如此稀少，必须通过大量数据才能发现。中国自主设计和建造的郭守敬望远镜的大规模测量为寻找富锂巨星提供了极大的便利。

严宏良说:“LAMOST以每年超过一百万个光谱的速度进行天空调查。我们希望通过这些大量的光谱数据找到富含锂的超级巨星，然后进行仔细的研究，以揭示其自身锂元素的起源之谜。”

严宏良说，研究人员最初主要根据光谱寻找富含锂的超级巨星。“因为光谱中有谱线，每个元素都有相应的谱线。我们将首先用锂元素的谱线找到光谱，然后观察这些谱线的强度，并从中选出非常强的锂谱线。”

结果没有辜负人们的期望。不久前，研究人员终于在LAMOST的海量光谱数据中发现了一个罕见的光谱，证实它来自一颗锂含量异常高的恒星。

“在最初确定之后，研究人员使用自动行星搜索望远镜来跟踪和观察它，”严宏良说。“因为LAMOST光谱的数量非常大，但分辨率相对较低，不适合对一颗恒星进行小型观测，所以我们只能使用分辨率更高的其他望远镜。”

经过进一步的跟踪观察，研究人员发现这颗奇怪的恒星质量是太阳的1.5倍，半径是太阳的15倍。这是一颗典型的巨星。然后，他们精确地测量了它的锂丰度，发现这颗恒星的绝对锂丰度高达4.51，这是目前已知锂丰度最高的最大恒星。

研究人员表示，这颗奇怪恒星的发现让人类对天体中锂的丰度有了新的认识，使国际富锂大国锂丰度的观测极限增加了一倍。

有了这么好的样本，科研人员的研究也向前迈进了一步。

严宏良说:“关于富锂巨星是如何形成的第二种猜测是锂来自恒星内部，但是如何将锂带到恒星表面还没有确定。在找到这个样品后，我们进行了数值模拟，结果表明完全有可能通过非对称对流产生如此高的锂。”

对此，严宏良做了一个类比。“这种不对称对流就像在恒星上安装两种管道，一种是粗管道，另一种是细管道。如果相同数量的物质在固定的时间内流动，细管的流速必须更快。这些铍元素通过这条形成锂的快速管道迅速上升到恒星表面。”

严宏良说，这是中国科学家提出的一个独特的新观点，在一定程度上改变了人们对富锂巨星的传统看法。

LAMOST光谱调查仍在继续。接下来，人类能找到锂含量更高的物体吗？什么机制触发了增强的不对称对流……这些仍然需要科学家不断探索和发现。