解开四十年天文谜团：经过“氦闪”，类太阳恒星普遍可产“锂”
在类太阳恒星中，高含量的锂元素罕见吗? 类太阳恒星会产生锂元素吗?它发生在恒星演化的哪个阶段? 中国科学院国家天文台赵刚研究员和Kumar博士领导的国际团队，利用我国重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST）光谱数据及国际GALAH巡天数据发现类太阳恒星经过氦闪后普遍可以产生锂元素，该发现解开了上述谜题。昨天，这一研究成果发表在国际知名天文期刊《自然·天文》（Nature Astronomy）。
锂通常用于现代通讯设备和运输行业。手机、平板电脑、电动汽车等都使用锂电池供电。此外，锂元素还被大量应用于航空航天、国防军工等领域。但你是否想过，锂元素从何而来? 绝大多数锂的起源可以追溯到同一个事件，那就是大约138亿年前发生的宇宙大爆炸，也就是宇宙的起源。锂是目前已知的在宇宙早期大爆炸中最早产生的三种元素之一 （另外两种是氢和氦）。一直以来，锂元素是连接宇宙大爆炸、星际物质和恒星的关键元素，对锂元素的研究是宇宙和恒星演化的重要课题。
宇宙大爆炸时期的锂含量小幅增长，主要是由于高能宇宙射线轰击星际介质中较重的原子核，如碳和氧，将它们分裂成较小的原子，如锂。
与其他元素不同，研究人员普遍认为锂元素将会在恒星中逐渐消失。这是由于锂在恒星内部相对较低的温度下(250万度，即一百万度的几倍)参与核反应，再经过与外部大气的混合，最初的锂就会在恒星生命周期中消失。比如，太阳和地球的组成元素高度相似，且被认为几乎同时形成，但太阳中的锂含量却比地球中的锂含量低了100倍。
随着观测技术的进步，人们陆续发现，部分类太阳恒星(在银河系中大约占1/100)大气中的锂含量非常高，在某些情况下，甚至比理论模型预测高出10万倍。
到底什么原因导致了类太阳恒星中锂含量异常升高？这个问题在过去四十年里一直困扰着研究人员。
借助GALAH、LAMOST和GAIA巡天数据，研究团队发现了类太阳恒星经过氦闪后普遍可以产生锂元素 ，解开了上述谜团。
恒星中锂元素从主序经过红巨星、氦闪(红巨星上端)到红团簇的氦核燃烧阶段的演化。虚线为模型预测。红色符号带代表红团簇星的氦核燃烧阶段。
注:目前宇宙大爆炸模型预测的原初值A(Li)=2.7dex(以对数尺度测量为A(Li)=log n(Li)/n(H) +12，其中n是原子数密度)作为原始或大爆炸值。在星际介质(ISM)或非常年轻的恒星中约为A(Li) = 3.3dex，比原初值多4倍。
论文第一作者Kumar博士说：研究团队系统地研究了晚期类太阳恒星中锂丰度异常升高的现象。令人惊讶的是，类太阳恒星经过氦闪后锂丰度异常升高的现象极为普遍。
氦闪是类太阳恒星中的一个标志性事件 ，在恒星演化的晚期，其核心不断积累氦元素，并导致温度和压力持续上升。这个巨大的氦核最终被点燃，发生剧烈失控地核燃烧，就像在恒星内部引爆了一颗氦原子弹，在几分钟内释放出相当于整个银河系的能量。
氦核燃烧示意图
理论模型预测经历此阶段的恒星锂含量应该非常低，但实际上，观测却发现这些恒星的锂含量平均高出理论预测值的200多倍，这表明类太阳恒星通过氦闪产生了新的锂元素。由于氦闪是类太阳恒星演化过程中必然会经历的过程，因此类太阳恒星经过氦闪后普遍会产生锂元素。 LAMOST数据在鉴别氦闪恒星的过程中发挥了重要作用。
此外，该研究还提出了一个新的标准来鉴别被称为富锂巨星的天体，照此标准，人们在过去40年间所发现的富锂巨星可能只是宇宙中的冰山一角。
据研究团队负责人、论文共同通讯作者赵刚研究员介绍：对我们而言，下一步研究的关键是了解锂在氦闪和混合机制之间的核聚变，这里依然包含着很多未解之谜。
毁灭中的新生 类太阳恒星普遍可产生锂元素
类太阳恒星会产生锂元素吗？它发生在恒星演化的哪个阶段？来自中国科学院国家天文台等国内外单位的研究人员，利用郭守敬望远镜（LAMOST）光谱数据及国际GALAH巡天数据首次发现类太阳恒星经过氦闪后普遍可以产生锂元素。相关研究成果7月6日在线发表于《自然·天文》杂志上。
锂通常用于现代通信设备和运输行业，手机、平板电脑、电动汽车等都使用锂电池供电。此外，锂元素还被大量应用于航空航天、国防军工等领域。
但是，你是否想过，锂元素从何而来？
“绝大多数锂的起源可以追溯到同一个事件，那就是大约138亿年前发生的宇宙大爆炸，也就是宇宙的起源。”论文第一作者、中科院国家天文台库马尔博士说。锂是目前已知的在宇宙早期大爆炸中最早产生的三种元素之一，另外两种是氢和氦。可以说，锂元素是连接宇宙大爆炸、星际物质和恒星的关键元素，对锂元素的研究是宇宙和恒星演化的重要课题。
与其他元素不同，研究人员普遍认为锂元素将会在恒星中逐渐消失。这是因为锂可以在相对较低的温度下（250万度）参与恒星内部的核反应，经过与外部大气的混合后，最初的锂就会在恒星生命周期中消失。比如，太阳和地球的组成元素高度相似，且被认为几乎同时形成，但太阳中的锂含量却比地球中的锂含量低了100倍。
随着观测技术的进步，人们陆续发现，部分类太阳恒星大气中的锂含量非常高，在某些情况下，甚至比理论模型预测高出10万倍。到底什么原因导致了类太阳恒星中锂含量异常升高？这个问题在过去40年里一直困扰着研究人员。
借助GALAH、LAMOST和GAIA巡天数据，研究人员发现了类太阳恒星经过氦闪后锂丰度异常升高的现象极为普遍。在恒星演化的晚期，其核心不断积累氦元素，并导致温度和压力持续上升，这个巨大的氦核最终被点燃，发生剧烈失控地核燃烧，就像在恒星内部引爆了一颗氦原子弹，在几分钟内释放出相当于整个银河系的能量。这个现象被研究人员称为氦闪。
“理论模型预测经历此阶段的恒星锂含量应该非常低，但实际上，观测却发现这些恒星的锂含量平均高出理论预测值的200多倍，这表明类太阳恒星通过氦闪产生了新的锂元素。”库马尔说，同时，由于氦闪是类太阳恒星演化过程中必然会经历的过程，因此类太阳恒星经过氦闪后普遍会产生锂元素。
“这项研究首次提出氦闪是导致类太阳恒星锂丰度异常升高的重要机制，对我们而言，下一步研究的关键是了解锂在氦闪和混合机制之间的核聚变，这里依然包含着很多未解之谜。”论文共同通讯作者、中科院国家天文台研究员赵刚说。
（科技日报北京7月6日电）
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