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挑战传统理论!科学家如何用“心电图”揭秘富锂巨星

来源:光明网2020-10-10 17:16

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  光明网讯北京时间10月6日凌晨,国际学术期刊《自然·天文》发布了一项由我国天文学家主导的国际科研团队关于富锂巨星真实身份的重要成果。借助我国重大基础科技设施LAMOST巡天数据和美国开普勒太空望远镜的星震数据,研究团队通过监听恒星的“心跳”,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。这一发现挑战了传统的恒星演化理论,对最终解开锂元素的起源之谜至关重要。

挑战传统理论!科学家如何用“心电图”揭秘富锂巨星

天文学家揭秘富锂巨星的真实身份(图源:喻京川,北京天文馆)

  什么是富锂巨星?

  顾名思义,“富锂巨星”的锂元素含量远超同类天体的“巨星”。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。

  锂含量巨大的富锂巨星,就像放置在宇宙中的锂电池。由LAMOST所发现的富锂巨星王者——TYC429-2097-1,其锂含量超过我们的太阳3000倍之多,是目前人类已知的锂丰度最高的恒星。如果我们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14亿辆车开到任何一个你在夜空中能看到的恒星处,来一趟所走就走的星际穿越。

  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”在检查什么?

  恒星如同人类一样,有诞生、成长、衰老及死亡等过程。太阳就是一颗正处于青壮年时期的恒星。不过,随着恒星不断发光发热,其内部物质会出现明显的变化,并由此产生一系列改变。红巨星和红团簇星是恒星进入晚年后两种不同阶段,它们内部进行核反应的物质不完全相同,因此其结构和物理过程也具有显著差异。

  科学界对富锂巨星的演化阶段一直存在多种说法,不过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”。

挑战传统理论!科学家如何用“心电图”揭秘富锂巨星

红团簇星和红巨星内部结构示意图。(图源:青木和光,日本国立天文台)

  如果仅从表面上看,天文学家很难判断一颗恒星究竟是红巨星还是红团簇星。“这是因为两种恒星在温度和光度方面相差无几,就像我们很难判断一位白发苍苍的老者到底是70岁还是80岁一样,只能根据经验进行一个大致的估计,但并不一定非常准确”。论文共同通讯作者国家天文台赵刚研究员对此解释道。

  检查结果怎么样?

  分辨红巨星与红团簇星的“心电图”,其实是星震学。国家天文台闫宏亮副研究员介绍道“星震就像是恒星的心跳,能够传递恒星内部的真实信息。” 不同演化阶段的恒星在振动频率上也有着明显的差异。一般来说,小年轻“红巨星”的心跳得更快一些,而上了年纪的“红团簇星”则心跳更迟缓。

挑战传统理论!科学家如何用“心电图”揭秘富锂巨星

恒星星震示意图,恒星中声波的传播过程(图源:加那利群岛天体物理研究所)

  不检不要紧,一检查却发现原来超过80%的富锂巨星根本不是我们之前所认为的“红巨星”!它们的真实身份是更加晚年的“红团簇星”。

  天文学家还进一步发现,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”。

  论文共同通讯作者,国家天文台施建荣研究员评论道,“,原有的理论并不适用于红团簇星,我们需要尽快寻找到这一观测现象的真实原因”。对此,论文通过观测数据检验了双星合并产生富锂巨星的理论,认为这是一种有潜力的方向。

  “我们看到最近国际上提出了不少新的理论来解释这个问题,”赵刚研究员说,“包括氦闪、双星的合并、特殊的对流等等。下一步的关键就是去逐一检验这些理论,找到真像”。

  据悉,该工作是由中国主导,包括来自日本、法国、荷兰、美国以及澳大利亚等国科研人员参与的国际团队合作完成的。在此研究中,多个望远镜的协同合作是取得成果的关键,除LAMOST和开普勒望远镜外,日本的昴星团望远镜、我国丽江观测站的2.4米和1.8米望远镜均在观测中发挥了重要作用。(记者宋雅娟 赵宇豪)

[ 责编:蔡琳 ]
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