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富锂巨星解密:一曲光与振动之歌

来源:光明网2020-10-13 11:39

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  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 ]
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