中国天文学家主导破获宇宙“大案”:锁定富锂巨星真身

2020-10-06 16:54:32 作者: 中国天文学家

中科院国家天文台介绍,为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。恒星逐渐变老的过程在天文上叫做演化,如果能够知道富锂巨星所处的演化阶段,就等于知道了锂元素的形成时间,进而反推它们的起源。

科学界对富锂巨星的演化阶段一直存在多种说法,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”。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。

日本昴星团望远镜。(中科院国家天文台/国际科研团队 供图)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,它们可能只是看起来年轻而已。

问题是如何鉴别?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由LAMOST光谱中所发现的富锂巨星的心跳来实现的。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”。不检查不要紧,一检查却发现原来超过80%的富锂巨星根本不是学界之前所认为的“红巨星”,它们的真实身份是更加晚年的“红团簇星”。天文学家就这样被富锂巨星“蒙骗”了数十年。

进一步研究还发现,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”。

美国开普勒太空望远镜测量星震-心跳示意图。(中科院国家天文台/国际科研团队 供图)恒星“心电图”是怎样测量的?

在鉴别“红巨星”和“红团簇星”的过程中,恒星的“心跳”起到决定性作用。恒星的“心跳”其实来自于恒星的震动——星震。那么,恒星到底是怎么“心跳”的呢?星震学又是如何通过恒星的“心跳”了解真相呢?

以太阳为例,它每时每刻都在成千上万个频率上“低声细语”。虽然科学家并不能够真的“听到”太阳的声音,但是这些噪音使得太阳的亮度发生微小的变化。所以只要记录其亮度的变化,就可以知道太阳是如何振动的了。就像人们的心跳一样,恒星的振动代表着它身体内部的信息,这些内部信息用其他常规方法无法获取,而星震的方法就如同医生的听诊器一样倾听着恒星的“心跳”。

浩瀚星空的惊艳画面。(中科院国家天文台/国际科研团队 供图)不同演化阶段的恒星在振动频率上也有着明显的差异。“红巨星”和“红团簇星”由于不同的燃料和能量传输形式,它们的心脏跳动有着十分显著的区别:一般来说,“红巨星”的心率更快一些,而年纪更大的“红团簇星”则心率更慢。

肩负测量“心电图”功能的是Kepler卫星,是美国国家航空航天局于2009年发射的一颗用于搜寻类地行星的太空望远镜,其长达4年不间断的测光观测使星震学技术成功应用到富锂巨星的研究当中。

中科院国家天文台表示,多年来,富锂巨星的身份一直迷惑着人们,由中国天文学家主导国际科研团队最新完成的这一研究工作,通过“星震学”听诊恒星“心跳”,解开了富锂巨星的真实身份之谜,该研究成果促进了恒星演化理论的完善,将加深人们对宇宙物质形成的认识。