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科學家揭開類太陽恒星的富鋰之謎

光明日報 2020-07-09

  鋰和氫、氦是目前已知的在宇宙早期大爆炸中最早產生的三種元素。原來科學家們猜測,恒星在不斷演化中,鋰元素會越逐漸消失。但近年來的觀測卻否定了這個假設——不少富鋰恒星被發現。四十年來,這個謎題一直困擾著科學家。

  中國科學院國家天文臺趙剛研究員團隊及國際合作者,利用郭守敬望遠鏡(LAMOST)光譜數據及國際GALAH巡天數據發現,類太陽恒星經過氦閃后普遍可以產生鋰元素,解開了類太陽恒星的富鋰之謎。這一成果發表在北京時間7月6日晚出版的學術期刊《自然·天文》上。

  絕大多數鋰的起源可以追溯到大約138億年前發生的宇宙大爆炸,指向了宇宙的起源。因此,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。

  趙剛解釋,宇宙大爆炸時期的鋰含量小幅增長,主要是由于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。由于鋰在恒星內部相對較低的溫度下參與核反應,再經過與外部大氣的混合,因此,研究人員普遍認為最初的鋰元素會在恒星生命周期中消失。

  早期的一些觀測結果也支持了這個結論,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。然而,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。

  研究人員介紹,研究團隊系統地研究了晚期類太陽恒星中鋰豐度異常升高的現象。令人驚訝的是,類太陽恒星經過氦閃后鋰豐度異常升高的現象極為普遍。

  氦閃,是類太陽恒星中的一個標志性事件——在恒星演化的晚期,其核心不斷積累氦元素,并導致溫度和壓力持續上升。這個巨大的氦核最終被點燃,發生劇烈失控的核燃燒,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于整個銀河系的能量。

  理論模型預測經歷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。研究人員表示,這表明類太陽恒星通過氦閃產生了新的鋰元素。在此基礎之上,研究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。研究團隊負責人、論文共同通訊作者趙剛研究員說:“對我們而言,下一步研究的關鍵是了解鋰在氦閃和混合機制之間的核聚變,其中依然包含很多未解之謎?!?/p>

責任編輯:王超

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