点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:富锂巨星解密:一曲光与振动之歌
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

富锂巨星解密:一曲光与振动之歌

来源:光明网2020-10-13 11:39

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  今年国庆期间,有不少小伙伴看到了一则关于富锂巨星的研究报道,说的是天文学家们基于我国重大科技基础设施郭守敬望远镜(英文缩写LAMOST)以及开普勒太空望远镜,通过监听恒星的“心跳”,证明了这些长久以来被认为是“红巨星”的天体,其实是更加年老的“红团簇星”。

富锂巨星解密:一曲光与振动之歌

图1. 富锂巨星所谱写的一曲光与振动之歌(图源:喻京川/北京天文馆)

  相信一定会有小伙伴表示,上面这些字每个我都认识,就是连起来不知道说的是啥!事实上,这已经不是《自然·天文》第一次讨论这类天体。富锂巨星为何频受关注,最新的成果究竟是什么意思,背后又有哪些有趣的故事?

  别急今天我们就来给大家捋一捋这个话题!

  富锂巨星——宇宙的锂电池?

  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。但是,锂元素在宇宙中很多天体内的含量,却与理论表现出较大的差异,这个问题一直困扰着天文学家。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(图2)。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。看来在宇宙里,贫富差距也是蛮巨大的。

富锂巨星解密:一曲光与振动之歌

图2. 恒星的暮年——巨星,它与太阳的对比(图源:NASA)

  在标准恒星模型中,富锂巨星是如同禁忌般的存在。因为巨星阶段恒星内部会出现大尺度对流,而锂元素的生存能力嘛……极差!它们一旦被对流带入温度高达百万度的恒星内部,立刻就会Game Over,巨星表面的锂元素含量理应不断减少才对。

  但是1982年,天文学家却发现了一颗锂含量异常高的晚年恒星,并且在此之后,更多这类恒星被陆续发现。例如,之前我们报道过由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。相关内容您可以点击如下链接阅读:“贵族”富锂巨星现身宇宙

  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,那么大家可以来一趟说走就走的星际旅行,这14亿辆电动汽车可以同时开到任何一个在夜空中能看到的恒星上。

  正是由于富锂巨星中巨额锂元素的来源不明,因此天文学家一直试图解开这些“少数派”神秘面纱。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,这个问题亟待解密。

  恒星也用滤镜?——假装年轻百万岁  

  为了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的。

  像太阳一样的恒星会持续发光长达百亿年,其能量是来自于恒星中心的氢(H)核聚变。但是当中心的H完全转变成氦(He)之后,核心燃烧停止。为了支撑恒星并继续发光发热,He核外围的H会继续燃烧,此时恒星会快速膨胀,颜色变红,和原来的恒星相比,如同一个红色的巨人,因此被称为“红巨星”(见图2)。

  传统上,一般认为多数富锂巨星的演化阶段为“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(图3)!

富锂巨星解密:一曲光与振动之歌

图3. 小质量类太阳恒星演化示意图。黄色箭头标记了恒星演化的轨迹。红巨星的初期与红团簇星大小相似,颜色相同(图源:青木和光/日本国立天文台)

  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!它们可能只是想“看起来年轻”而已。但问题是如何鉴别呢?答案是“心脏”。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LAMOST光谱中所发现的富锂巨星的心跳,来完成反转的。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。不检不要紧,一检查就发现,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”,我们被富锂巨星“蒙骗”了数十年。

  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。但是,由于内部的物理环境全然不同,原有的理论并不适用于“红团簇星”。

  星震——是心电图更是测谎仪?

  在鉴别的过程中,恒星的“心跳”起到了决定性的作用。恒星的心跳其实来自于恒星的振动——星震(没有写错字哦)。那么,星震为何会成为探测恒星内部的关键?恒星到底是怎么心跳的呢?

  以太阳为例,它每时每刻都在成千上万个频率上“低声细语”,这些噪音会使太阳的亮度发生微小的变化(图4)。虽然科学家并不是真能听到太阳的声音,但是只要记录下其亮度的变化,就可以知道太阳是如何振动的了。

富锂巨星解密:一曲光与振动之歌

图4. 恒星星震示意图,恒星中声波的传播(图源:加那利群岛天体物理研究所)

  浩瀚苍穹亿万恒星都在以它们自己独特的振动频率发出心跳的声音,这就给我们分辨它们留下了线索。比如我们很容易就能分辨出讲话的人是男是女,或者能够分辨不同乐器的演奏音,这是因为不同的声音的在不同频段内能量分布不一样。

  同样地,由于不同的燃料和能量传输形式,红巨星和红团簇星的心脏跳动有着比较明显的区别。一般来说,“红巨星”的心率与“红团簇星”相比更快一些。这种差异会通过恒星表面亮度的变化而被我们观测到。这就是星震“心电图”的工作原理。

  肩负测量“心电图”使命的的开普勒太空望远镜,是美国国家航天航空局于2009年发射的一颗用于搜寻类地行星的太空望远镜。它的探测精度可以达到20ppm(百万分之一,V波段星等为12的恒星6.5小时累计曝光),这为探测星震信号提供了必要条件。

  起源之谜——脑洞大开的并合理论

  光谱与星震的结合,就像富锂巨星所谱写的一曲光与振动之歌。如今我们已经知道,超过80%的富锂巨星是红团簇星,但我们的疑问并未就此解开,红团簇星内被认为没有锂元素的形成环境,那它们究竟来自何方?

  天文学家提出了很多脑洞大开的解释,比如其中一种理论认为,它们其实是来自两颗恒星的合并,也许正如诺兰的《信条》一样,这些恒星都是时间的逆行者。

富锂巨星解密:一曲光与振动之歌

图6. 天文学家通过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(图源:喻京川/北京天文馆)

  由于篇幅有限,这里我们只简单描述一下它的现象,相关的理论日后也许可以单独出一篇文章来进行解读。白矮星是百分之九十以上恒星的最终归宿,如果不出意外,孤独的白矮星将向着命运指定的方向慢慢终老。但如果白矮星有伴星,且与它碰撞到了一起,则可能“返老还童”,巧妙骗过命运的监督,形成一颗红团簇星。

  在并合过程中,通常会同时伴随着核反应的发生,这些锂元素正是在并合恒星内部高温区域生成,并通过外壳对流挖掘到了恒星表面,由此形成了富含锂元素的红团簇星。当然,还有说法认为红团簇星中的锂元素可能是“氦闪”造成的,相信未来还会有更多相关理论被提出,准备好和小伙伴们一起“吃瓜”吧。

  文章链接:https://www.nature.com/articles/s41550-020-01217-8

  作者简介闫宏亮,国家天文台副研究员,目前锂丰度最高恒星的主要发现者。研究方向为天体元素丰度,化学特殊星以及元素在银河系中的起源与演化。

  张先飞,北京师范大学天文系副教授,主要研究兴趣为恒星结构与演化,双星演化与特殊恒星形成,致密天体形成与引力波,星团及银河系结构与演化。

  李亚光,悉尼大学博士,研究方向为星震学,恒星结构与演化。

  周渝涛,北京大学博士后 ,主要研究方向为恒星元素丰度,银河系结构与演化。

  责编:万昊宜、李 双、袁凤芳

  编辑:赵宇豪、柒 柒

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 电影《731》拍摄历程特展在哈尔滨举行

  • 安徽歙县:土楼晒秋

独家策划

推荐阅读
中国科学院大连化学物理研究所研究员陈萍、研究员曹湖军、副研究员张炜进团队在氢负离子导体开发及应用方面取得重要进展。
2025-09-18 09:52
工业遗址与科幻主题联动,带来现实与想象交错的奇妙感受;科技手段还原知名IP场景,让游客沉浸到小说里的名场面;利用独特地质地貌,打造“地球上最像火星的地方”……来一场新鲜、有趣的科幻游,成为不少人出游的选择之一。如何做好科幻与文旅深度融合,丰富旅游供给?各地因地制宜进行了探索。
2025-09-18 09:50
记者17日从中国石化新闻办获悉,部署在四川省资阳页岩气田的2口评价井测试产量均超百万立方米,其中资页2-501HF井试获日产气140.7万立方米,刷新我国页岩气测试产量最高纪录。
2025-09-18 09:44
当今中国,科学教育受到前所未有的重视—作为人才培养的根基与路径,科学教育的潜力将变成参与国际竞争、争取国际话语权的实力。
2025-09-18 09:43
日前,由中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所牵头承担的聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)遥操作系统测试平台通过专家组测试与验收。
2025-09-18 09:40
“科创游”是一种将科技与旅游相结合的新型旅游形式,不仅展示科技企业的生产过程和产品,还注重科技教育的普及和科技创新的体验
2025-09-17 10:23
此次大会将讨论通过“人与生物圈计划”及其世界生物圈保护区网络杭州战略行动计划,明确未来十年的发展方向、目标和行动方案
2025-09-17 10:21
人造地球卫星、载人飞船、空间站、空间探测器要“上天”进入预定轨道,运载火箭少不了。在“火箭家族”展台,长征一号至五号运载火箭模型笔直而立。
2025-09-17 10:20
在化学生物学研究中,有一种强大的“分子地图绘制技术”——邻近标记技术。在癌症免疫治疗中,免疫细胞需要足够强和足够多的“信号”才能发起攻击,但癌细胞表面的天然信号往往非常稀疏。
2025-09-17 10:18
当前,秋粮陆续进入成熟期。各地抓住最后的窗口期,落实落细各项增产措施,全力以赴抓好秋粮生产,确保秋粮丰产丰收。
2025-09-17 09:32
人工智能的浪潮正在席卷从科技到教育,乃至全社会的各个角落,中国教育界正在积极推动学习和应用人工智能,以便乘势站在时代前列。今年6月,中国工程院院士、华中科技大学校长尤政提出,人工智能和批判性思维结合形成DNA式的“双螺旋结构”,将有力推动创新。
2025-09-16 09:14
15日,在2025年国家网络安全宣传周主论坛上,《人工智能安全治理框架》2.0版正式发布。落实《全球人工智能治理倡议》,《人工智能安全治理框架》1.0版于2024年9月发布,受到国内外广泛关注。
2025-09-16 09:13
光明日报北京9月15日电 记者陈晨从农业农村部获悉,2025畜禽种业发展论坛14日在北京市平谷区举行。论坛发布了第三次全国畜禽遗传资源普查、濒危畜禽遗传资源保护成效、主要畜种分子身份证构建和遗传评估优秀种公畜等重大成果,举办了畜禽种业振兴成果展,26家单位现场推介新技术、新设备、新成果,72家单位进行专场展示。
2025-09-16 09:13
数智技术以及数智互联技术将推进青年间社会化协同与知识共享,可精准连接青年学习者,并形成跨地域的学习社群与项目协作组。总而言之,数智技术能够为青年群体参与终身学习创造良好条件,能够充分激发青年群体参与终身学习的动力,能够更好地帮助青年群体全面发展。
2025-09-16 09:12
作者:王 珩、程松泉,分别系浙江师范大学教师教育学院教授;浙江师范大学教师教育学院博士生  当前,全球教育正经历一场由人工智能技术驱动的深刻变革。唯有坚守育人初心,在伦理框架内审慎推进技术应用,才能让人工智能真正成为引领教育发展的引擎,而非解构教育本质的飓风。
2025-09-16 09:11
在合成生物学和气候变化应对领域有巨大潜力。
2025-09-16 09:11
走进展区,多款新潮文创让人爱不释手;戴上设备,苏轼笔下的诗词世界任人遨游;指尖轻点,三千年前的青铜器“触手可及”……一系列新产品、新服务、新场景在2025年中国国际服务贸易交易会文旅服务专题亮相,漫步其中,处处感受到科技与创意奔涌、文化和旅游融合的无限活力。
2025-09-15 09:54
在2025年中国国际服务贸易交易会上,一批品类丰富、兼具趣味与文化内涵的文创精品成为展会现场的“人气王”,引爆观展热潮。
2025-09-15 09:54
最大网络基础设施的建成有助于我国突破关键技术的“卡脖子”困境,形成自主可控的核心技术优势,建立起数字经济产业的第二创新生态。 (作者:戎 珂,系清华大学社会科学学院经济学研究所所长、长聘教授;田晓轩,系清华大学社会科学学院经济学研究所博士研究生)
2025-09-15 09:53
今年暑期,工厂游火爆出圈。参观名额秒空、门票收入可观、社交平台相关笔记有10多万条,工厂游俨然成了文旅界新宠。 工厂游等新型旅游业态,实现了工业与文旅的跨界融合,也为文旅经济的发展提供了新增长点。
2025-09-15 09:52
加载更多