——習(xí)近平總書記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國(guó)科學(xué)院辦院方針
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在類太陽恒星中,高含量的鋰元素罕見嗎?類太陽恒星會(huì)產(chǎn)生鋰元素嗎?它發(fā)生在恒星演化的哪個(gè)階段?中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員趙剛和博士Kumar領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì),利用我國(guó)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)光譜數(shù)據(jù)及國(guó)際GALAH巡天數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),類太陽恒星經(jīng)過氦閃后普遍可以產(chǎn)生鋰元素,該發(fā)現(xiàn)解開了上述謎題。7月6日,這一研究成果發(fā)表在《自然-天文》(Nature Astronomy)上。
鋰通常用于現(xiàn)代通訊設(shè)備和運(yùn)輸行業(yè)。手機(jī)、平板電腦、電動(dòng)汽車等都使用鋰電池供電。此外,鋰元素還被大量應(yīng)用于航空航天、國(guó)防等領(lǐng)域。但鋰元素從何而來?絕大多數(shù)鋰的起源可以追溯到同一個(gè)事件,那就是大約138億年前發(fā)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(chǎn)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(zhì)和恒星的關(guān)鍵元素,對(duì)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(shí)期的鋰含量小幅增長(zhǎng),主要是由于高能宇宙射線轟擊星際介質(zhì)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(rèn)為鋰元素將會(huì)在恒星中逐漸消失。這是由于鋰在恒星內(nèi)部相對(duì)較低的溫度下(250萬度,即一百萬度的幾倍)參與核反應(yīng),再經(jīng)過與外部大氣的混合,最初的鋰就會(huì)在恒星生命周期中消失。比如太陽和地球的組成元素高度相似,且被認(rèn)為幾乎同時(shí)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(cè)技術(shù)的進(jìn)步,人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn),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(yù)測(cè)高出10萬倍。到底什么原因?qū)е铝祟愄柡阈侵袖嚭慨惓I??這個(gè)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(shù)據(jù),研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了類太陽恒星經(jīng)過氦閃后普遍可以產(chǎn)生鋰元素,解開了上述謎團(tuán)。論文第一作者Kumar表示,研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地研究了晚期類太陽恒星中鋰豐度異常升高的現(xiàn)象。令人驚訝的是,類太陽恒星經(jīng)過氦閃后鋰豐度異常升高的現(xiàn)象極為普遍。氦閃是類太陽恒星中的一個(gè)標(biāo)志性事件,在恒星演化的晚期,其核心不斷積累氦元素,并導(dǎo)致溫度和壓力持續(xù)上升。這個(gè)巨大的氦核最終被點(diǎn)燃,發(fā)生劇烈失控地核燃燒,就像在恒星內(nèi)部引爆了一顆氦原子彈,在幾分鐘內(nèi)釋放出相當(dāng)于整個(gè)銀河系的能量。理論模型預(yù)測(cè),經(jīng)歷此階段的恒星鋰含量應(yīng)該非常低,但實(shí)際上,觀測(cè)卻發(fā)現(xiàn)這些恒星的鋰含量平均高出理論預(yù)測(cè)值的200多倍,這表明類太陽恒星通過氦閃產(chǎn)生了新的鋰元素。由于氦閃是類太陽恒星演化過程中必然會(huì)經(jīng)歷的過程,因此類太陽恒星經(jīng)過氦閃后普遍會(huì)產(chǎn)生鋰元素。LAMOST數(shù)據(jù)在鑒別氦閃恒星的過程中發(fā)揮了重要作用。
此外,該研究還提出了一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)來鑒別被稱為富鋰巨星的天體,照此標(biāo)準(zhǔn),人們?cè)谶^去40年間所發(fā)現(xiàn)的富鋰巨星可能只是宇宙中的冰山一角。
研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、論文共同通訊作者趙剛介紹,對(duì)我們而言,下一步研究的關(guān)鍵是了解鋰在氦閃和混合機(jī)制之間的核聚變,這里依然包含著很多未解之謎。
恒星中鋰元素從主序經(jīng)過紅巨星、氦閃(紅巨星上端)到紅團(tuán)簇的氦核燃燒階段的演化。虛線為模型預(yù)測(cè)。紅色符號(hào)帶代表紅團(tuán)簇星的氦核燃燒階段。
注:目前宇宙大爆炸模型預(yù)測(cè)的原初值A(chǔ)(Li)=2.7dex(以對(duì)數(shù)尺度測(cè)量為A(Li)=log n(Li)/n(H) +12,其中n是原子數(shù)密度)作為原始或大爆炸值。在星際介質(zhì)(ISM)或非常年輕的恒星中約為A(Li) = 3.3dex,比原初值多4倍。
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