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【中国新闻网】中国天文学家主导破获宇宙“大案”:锁定富锂巨星真身

2020-10-09 中国新闻网 孙自法
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恒星演化示意图。(中科院国家天文台/国际科研团队 供图)

恒星演化示意图。(中科院国家天文台/国际科研团队 供图)

天文学家通过恒星监测恒星的心跳和分析它们的光谱揭秘富锂巨星的真实身份。(喻京川/绘制,中科院国家天文台 供图)

红团簇星和红巨星内部结构示意图。(青木和光/绘制,中科院国家天文台 供图)

  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)

日本昴星团望远镜。(中科院国家天文台/国际科研团队 供图)

美国开普勒太空望远镜测量星震-心跳示意图。(中科院国家天文台/国际科研团队 供图)

浩瀚星空的惊艳画面。(中科院国家天文台/国际科研团队 供图)

恒星心跳-星震示意图。(图源NASA,中科院国家天文台 供图)

恒星心跳-星震示意图。(图源ESO,中科院国家天文台 供图)

  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?这一备受学界关注的、事关宇宙起源与演化的“大案”,最新由中国天文学家主导的国际科研团队携手破解,他们通过监测恒星“心跳”形成的“心电图”发现,绝大多数富锂巨星其实都是红团簇星,而不是传统上所认为的红巨星。

  七国天文学家合作“破案”

  北京时间10月6日凌晨,中国、日本、法国、荷兰、美国、澳大利亚、丹麦等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赵刚研究员、施建荣研究员为论文共同通讯作者,中科院国家天文台闫宏亮副研究员与周渝涛博士为论文共同第一作者。

  该国际科研团队借助中国郭守敬望远镜(大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜,英文缩写LAMOST)巡天数据和美国开普勒(Kepler)太空望远镜的星震数据,以及日本昴星团望远镜、中国丽江观测站2.4米和1.8米望远镜等,通过采集大量富锂巨星的光谱及震动数据,研究得出与传统观点截然不同的结论。这一发现挑战了传统的恒星演化理论,对最终解开锂元素起源之谜至关重要。

  为什么要聚焦锂元素?

  中科院国家天文台科普解读称,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。这个在近十年才陆续进入大众视野中的“新兴”元素,其实几乎和宇宙一样古老。

  事实上,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。不过,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,也一直困扰着天文学家。

  富锂巨星“巨锂”来源不明

  富锂巨星就是这种矛盾的一个典型例子。“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的“巨星”天体,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%高出成百上千倍。

  例如,之前报道过由LAMOST所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”。

  正是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,天文学家一直试图解开这些“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。

  “心电图”揭开富锂巨星真实身份

  中科院国家天文台介绍,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,恒星内部可能产生十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。

  但是,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。

  问题是如何鉴别?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LAMOST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晚年的“红团簇星”。天文学家就这样被富锂巨星“蒙骗”了数十年。

  进一步研究还发现,不同类型的富锂巨星在锂含量、恒星质量等多个方面均与传统认知存在显著不同。这些发现很难用目前的理论进行解释。因为数十年来,绝大多数相关的理论都是基于“红巨星”这一前提所提出的,甚至直到今年很多相关的理论研究也还在讨论红巨星内的种种机制。但是,由于内部的物理环境全然不同,原有的理论显然并不适用于“红团簇星”。

  恒星“心电图”是怎样测量的?

  在鉴别“红巨星”和“红团簇星”的过程中,恒星的“心跳”起到决定性作用。恒星的“心跳”其实来自于恒星的震动——星震。那么,恒星到底是怎么“心跳”的呢?星震学又是如何通过恒星的“心跳”了解真相呢?

  以太阳为例,它每时每刻都在成千上万个频率上“低声细语”。虽然科学家并不能够真的“听到”太阳的声音,但是这些噪音使得太阳的亮度发生微小的变化。所以只要记录其亮度的变化,就可以知道太阳是如何振动的了。就像人们的心跳一样,恒星的振动代表着它身体内部的信息,这些内部信息用其他常规方法无法获取,而星震的方法就如同医生的听诊器一样倾听着恒星的“心跳”。

  不同演化阶段的恒星在振动频率上也有着明显的差异。“红巨星”和“红团簇星”由于不同的燃料和能量传输形式,它们的心脏跳动有着十分显著的区别:一般来说,“红巨星”的心率更快一些,而年纪更大的“红团簇星”则心率更慢。

  肩负测量“心电图”功能的是Kepler卫星,是美国国家航空航天局于2009年发射的一颗用于搜寻类地行星的太空望远镜,其长达4年不间断的测光观测使星震学技术成功应用到富锂巨星的研究当中。

  中科院国家天文台表示,多年来,富锂巨星的身份一直迷惑着人们,由中国天文学家主导国际科研团队最新完成的这一研究工作,通过“星震学”听诊恒星“心跳”,解开了富锂巨星的真实身份之谜,该研究成果促进了恒星演化理论的完善,将加深人们对宇宙物质形成的认识。

打印 责任编辑:董凯悦

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