茫茫星海尋“鋰”，郭守敬望遠鏡巡天計劃如何發(fā)現(xiàn)富鋰巨星

眾里尋她千百度，驀然回首，那“星”卻在“燈火”闌珊處。近日，以中國科學院國家天文臺為首的科研團隊宣布：依托大科學裝置郭守敬望遠鏡（LAMOST）發(fā)現(xiàn)一顆奇特天體——其絕對鋰豐度高達4.51（相當于太陽中鋰含量的3000倍）。

那么，這一發(fā)現(xiàn)有何意義？請聽發(fā)現(xiàn)者們娓娓道來。

據(jù)科研團隊介紹，這顆奇特天體“居住”在銀河系中心附近的蛇夫座，距離地球約4500光年，其質(zhì)量不足太陽的1.5倍，鋰元素含量卻是太陽的3000倍。如此高含量的鋰元素，讓科學家們不禁為之著迷。

簡單而復雜的鋰元素

鋰元素雖然輕若鴻毛，卻成就了現(xiàn)代科技革命，隨處可見它的身影；此外，它還是連接宇宙大爆炸、星際物質(zhì)和恒星的關(guān)鍵

提起鋰，大家并不陌生。它是元素周期表中的3號元素，結(jié)構(gòu)簡單，緊隨氫和氦，排在化學元素周期表的第3位。雖然輕若鴻毛（輕到可以漂浮在水面上），卻成就了現(xiàn)代科技革命。

小到手機、平板電腦，大到無人飛行器、電動汽車，都在使用鋰電池供電。美國一家公司甚至成功將鋰電池模組并入到紐約電力網(wǎng)絡(luò)中，用來滿足紐約市民用電高峰的需求。除此之外，鋰元素還被大量應(yīng)用于航空航天、國防軍工等領(lǐng)域。

不僅“接地氣”，這個簡單而實用的鋰元素還是連接宇宙大爆炸、星際物質(zhì)和恒星的關(guān)鍵。一直以來，它在宇宙和恒星中的演化始終困擾著世界各地的科學家。“大爆炸產(chǎn)生了宇宙中最初的3種元素，分別是氫、氦和鋰，而誕生于宇宙初期的古老恒星保留了這些‘原材料’。”發(fā)現(xiàn)者之一、中國科學院國家天文臺博士閆宏亮說，粒子物理學家們通過計算，可以推斷每種元素究竟產(chǎn)生了多少。實踐證明，氫、氦和觀測到的數(shù)量基本吻合，只有鋰元素除外：在古老恒星中觀測到的鋰，其含量只有計算預期值的一半。

再比如，按照以往科學家們對恒星的理解：如同人類一樣，恒星會經(jīng)歷誕生、成長、衰老、死亡等過程。而巨星（恒星演化后期）階段是恒星暮年的開始，幾乎任何一顆恒星都要經(jīng)歷這樣一個階段。在標準恒星模型中，恒星在誕生的時候都是含鋰的，但演化到巨星階段，它會把自身的鋰元素“消化”掉，成為一個在表面上幾乎探測不到鋰元素的天體。但不久，另一個困惑隨之而來：經(jīng)過曠日持久的天文探索，科學家們發(fā)現(xiàn)，巨星中存在一些鋰含量高的“異類”。這就是后來人們常常提及的富鋰巨星。

1981年，天文學家喬治·沃勒斯坦和克里斯·斯奈登利用一架小望遠鏡首次發(fā)現(xiàn)了一顆特殊的恒星——它的光譜非常奇特，在本不該有譜線的地方出現(xiàn)了一條很強的鋰線。這個特殊的天體很快引起大家的關(guān)注，不久，科學家們賜予了它一個貴族式的名字——富鋰巨星。

茫茫宇宙中“撈針”

富鋰巨星大約僅占巨星數(shù)量的0.5%至1%，因“在揭示鋰元素起源和演化上具有重要意義”，人類探索的腳步從未放慢

為弄清富鋰巨星的來龍去脈，科學家們在浩瀚的宇宙中開始搜集這類天體樣本。然而現(xiàn)實讓人大跌眼鏡：他們發(fā)現(xiàn)，富鋰巨星的數(shù)量大約僅占巨星的0.5%至1%。近40年來，全世界科學家們千方百計地尋找，也僅僅發(fā)現(xiàn)了3個鋰豐度超過4.0，相當于太陽中鋰含量1000倍的富鋰巨星。

在茫茫宇宙中搜尋富鋰巨星難度之大，閆宏亮形容為“星海里撈針”。但人類探索的腳步并未就此放慢，理由是“雖然富含鋰元素的巨星十分稀有，但在揭示鋰元素起源和演化上具有重要意義”。

仰望星空，解碼未知宇宙。2009年，我國自主設(shè)計建造的郭守敬望遠鏡（LAMOST）竣工，很快投入使用。它突破了天文望遠鏡大口徑與大視場難以兼得的瓶頸，成為目前世界上口徑最大的大視場望遠鏡。因此，大樣本統(tǒng)計與尋找奇異天體，成為郭守敬望遠鏡的兩大“定位”。

“如同人類的指紋，每個天體所含元素不同，對應(yīng)光譜也各不相同。LAMOST同時具備大視場和大口徑的優(yōu)勢，能以每年超過百萬光譜的速度巡天觀測。我們希望，能通過這些海量光譜數(shù)據(jù)尋找到富鋰巨星。”中國科學院院士、LAMOST運行和發(fā)展中心總工程師崔向群說。

根據(jù)閆宏亮的解釋，科研人員在最初尋找富鋰巨星時，主要是根據(jù)光譜。“因為光譜里含有譜線，每一種元素都會有相應(yīng)的譜線與之對應(yīng)。”

時光不負情深。隨著LAMOST巡天計劃的開展，其海量恒星光譜觀測能力在天文基礎(chǔ)研究中逐漸顯現(xiàn)——最終，科研人員在LAMOST海量的光譜數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了一條罕見光譜，確定其來自于一顆鋰豐度異常高的恒星。

經(jīng)過進一步跟蹤觀測，科研人員發(fā)現(xiàn)，這顆奇特恒星的質(zhì)量不足太陽的1.5倍，半徑約為太陽的15倍，是一顆典型的巨星。接著，他們對其鋰豐度進行了精確測量，發(fā)現(xiàn)這顆恒星絕對鋰豐度高達4.51，相當于太陽中鋰含量的3000倍，是目前人類已知的鋰元素含量最高的巨星，稱得上“奇珍異寶”。

“這顆奇特恒星的發(fā)現(xiàn)刷新了人類對天體中鋰含量的認知，將國際上富鋰巨星的鋰含量觀測極限提高了一倍，它將作為一個獨特的樣本在以后的科學研究中持續(xù)發(fā)揮價值。”閆宏亮表示。

奇特星體是怎樣煉成的

科學家深入研究發(fā)現(xiàn)，這顆恒星的鋰元素很可能來自其內(nèi)部的一種特殊物質(zhì)交換過程

這顆奇特星體究竟是如何形成的？天文學家們曾提出過一些有趣的猜想。一種設(shè)想是，富鋰巨星可能誕生于一次災(zāi)難級事件，比如恒星吞噬了自己的行星。這種貌似只有好萊塢大片中才有的情節(jié)，在閆宏亮看來，并不罕見。因為，鋰元素具有易消耗的特性，“這種元素在行星中反而更容易穩(wěn)定存在，所以恒星吞噬了自己的行星并霸占了原本屬于行星的鋰，并非毫無根據(jù)”。

不過，根據(jù)中國科學院國家天文臺最新披露的數(shù)據(jù)，這一猜測并不成立。閆宏亮說，這顆巨星的鋰含量實在是太高了，根本無法用吞噬行星來解釋——即使按照最好的情況來算，由吞噬獲得的鋰也不會超過這顆恒星中鋰含量的二百分之一。

那么，這些鋰來自何處？國家天文臺與中國原子能科學研究院等機構(gòu)的科學家對這顆奇特恒星繼續(xù)開展深入研究發(fā)現(xiàn)，這顆恒星的鋰元素很可能來自恒星內(nèi)部的一種特殊的物質(zhì)交換過程，并在理論上對鋰元素合成和現(xiàn)有恒星演化理論提出了新觀點：產(chǎn)生極高含量的鋰元素很可能需要借助一種特殊的不對稱對流，只有在它的幫助下，由巨星形成的鈹元素才能快速搬運到恒星表面，讓它在比較低溫的區(qū)域變成穩(wěn)定存在的鋰。

“數(shù)值模擬表明，借助不對稱對流，產(chǎn)生如此高的鋰是完全有可能的。”在閆宏亮看來，關(guān)于富鋰巨星的形成原因一直眾說紛紜，我國科學家在理論上對鋰元素的合成和恒星演化理論提出獨樹一幟的新觀點，在一定程度上改變了人們對富鋰巨星的傳統(tǒng)認知。

這顆富鋰巨星的發(fā)現(xiàn)，事實上只是LAMOST“牛刀小試”。

利用LAMOST數(shù)據(jù)的大樣本優(yōu)勢，科學家們重新認識了銀河系主體部分——銀盤的大小。銀盤是恒星、塵埃和氣體組成的扁平盤，在銀河系可探測到的物質(zhì)中，有九成都在銀盤范圍以內(nèi)。原來，科學家們認為銀盤的半徑約為5萬光年，但目前推測，半徑在10萬光年左右。這一成果使天文學家開始重新審視星系形成及宇宙演化的一般規(guī)律。

LAMOST還改寫了銀河系暈的結(jié)構(gòu)特征。新的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，銀河系暈為內(nèi)扁外圓的新結(jié)構(gòu)，這推翻了前人關(guān)于恒星暈是一個軸比不變的扁球體的猜測，對于理解銀河系恒星暈的形成歷史和演化提出了新的挑戰(zhàn)。

年老的貧金屬星就像化石一樣記錄了宇宙化學演化的最初歷史，對它們的分析，可以實現(xiàn)對第一代恒星和早期宇宙本質(zhì)的“恒星考古”。對此，天文學家在郭守敬望遠鏡光譜中已發(fā)現(xiàn)萬余顆金屬含量低于太陽百分之一乃至萬分之一的貧金屬星，構(gòu)建了目前世界上最大的、適合現(xiàn)有大望遠鏡跟蹤觀測的“宇宙化石”樣本。

此外，精確估算了上百萬顆恒星的年齡；測量近6000顆類太陽恒星的磁活動指數(shù)，證實太陽有爆發(fā)超級耀斑的可能；首次測量了近700顆系外行星的軌道偏心率，發(fā)現(xiàn)太陽系在宇宙中具有一定代表性，有助于尋找“第二個地球”；發(fā)現(xiàn)了新的太陽系外行星族群——熱海星……

LAMOST光譜巡天如今仍在繼續(xù)。未來，人類是否能夠發(fā)現(xiàn)鋰含量更高的“鋰富豪”天體？鋰元素留下的種種謎團最終能否解開……我們拭目以待。

（原標題 郭守敬望遠鏡完成一期光譜巡天觀測，成果豐碩——星海尋“鋰”）