太阳正在变成一个锂元素制造厂？
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Campbell et al，题图来自：IC photo
一
锂（Li）是一种应用广泛的元素，从制药到电池制造，都有锂的身影。锂是从哪里来的呢？或许你会对这个显而易见的问题嗤之以鼻——当然从地球上开采的啊。但这里想要追问的是锂的宇宙起源。要回答这个问题并不容易，其实直至今日，科学家都无法为这个问题提供一个清晰明确的答案。
由SOHO空间望远镜拍摄的太阳。| 图片来源：SOHO/NASA
最近，一个国际天文学家团队在研究了成千上万颗类太阳恒星（质量和金属丰度与太阳相似）之后，意外地发现在这些恒星的生命末期，会产生大量的锂。而这一结果之所以让天文学家倍感意外，是因为现有的恒星模型并没有预测到会出现这样的情况，这表明现有的恒星理论中一定缺失了某些重要的物理过程。
二
锂是一种非常特殊的元素，它是138亿年前当宇宙大爆炸发生时就产生了的唯一金属。自那之后，随着恒星的演化，大量的其他元素开始产生。然而作为从一开始就已存在的金属，锂的增长量却并不显著。宇宙中只含有为数不多的锂。与此同时，科学家无法确认这些锂的来源。
锂（Li）是元素周期表中的第三号元素，原子核中有3个质子。| 图片来源：geralt / Pixabay
今天，锂的来源仍是一个让科学家们争论的问题。有人认为，锂是由高能宇宙射线与星际空间中的较重的碳和氧等元素发生撞击，将它们分裂成较轻的原子所产生的。
在天文学家看来，锂是一种很脆弱的元素，因为它们很容易毁于恒星内部的高温之中。通过分析星光光谱，天文学家能确定一颗恒星所包含的各种元素的含量。从过去的对恒星表面的锂的观测中，天文学家已经得出一个结论，那就是随着恒星的变老，恒星中的锂会逐渐被摧毁。
那么，这一结论适用于所有恒星吗？答案是否定的，一组被称为“富锂巨星”的恒星就是例外。这些恒星于40年前首次被发现，它们的含锂量是其他巨星的1000倍。富锂巨星并不常见，约只有1%的巨星是富锂巨星。在很长一段时间里，富锂巨星的确切进化阶段都是未知的，它们是如何、在何时产生锂的一直是一个谜。
三
所有类太阳恒星在燃烧完它们核心的所有氢之后，最终都会变成红巨星，它们会变得更亮，颜色更红，体积会扩大数百倍——甚至吞没掉原本环绕它们运行的行星。
这是一张由哈勃空间望远镜拍摄的显示了恒星生命的不同阶段的图片，图中包含年轻的蓝热恒星和年长的红巨星。新的研究集中关注红巨星中的锂含量。| 图片来源：NASA & ESA & T. Brown
当恒星变成巨星时，它们会先后经历三个不同的巨星阶段：红巨星支（RGB）、红团簇星（RC）、渐进巨星支（AGB）。处于这三个不同的阶段中的恒星在颜色和亮度上都很相似，所以了解富锂的恒星在产生锂时正处于哪一个阶段至关重要。而在研究富锂巨星如何产生锂这个问题时，天文学家所面临的一个主要难题就在于，他们难以确切地得知这些富锂巨星究竟红巨星的哪个阶段。
在众多理论中，有一种已被广泛接受的主流说法。2011年，有天文学家提出，富锂巨星很可能处于第二巨星阶段，即红团簇星（RC），后来的一些实验观测也让这种说法得到了更进一步的证实。天文学家基本确定，绝大多数的富锂巨星都是红团簇星。
在最近发表的这项新研究中，研究人员通过分析100多万颗恒星的数据，对富锂巨星进行了进一步研究。其中有20万颗类太阳恒星样本证实了富锂恒星的确处于红团簇星阶段的说法；而在早于红团簇星阶段的红巨星支阶段，研究人员检测到了锂被摧毁的迹象，这一结果是符合理论预期的。
然而就在此时，天文学家注意到了一些奇怪的现象。他们发现虽然其他一些处于红团簇星阶段的恒星的锂含量不是非常高，但它们锂含量比处于红巨星支末期的恒星要多得多。这似乎表明，这些恒星在从红巨星支过渡到红团簇星的过程中产生了锂。
而且，所有处于红团簇星阶段的恒星似乎都比处于红巨星支阶段的恒星含有更多的锂。这意味着在未来的某个时刻，太阳也会像这些类太阳恒星一样产生大量的锂。
四
总的来说，虽然研究人员还没有彻底解开锂的富集究竟是如何发生的，但根据已有数据，天文学家已经能对其发生频率进行判断。新的研究表明，所有的类太阳恒星可能都会出现锂的富集现象，而且它们就发生在红巨星支阶段结束和红团簇星阶段开始之间的某个时间。
实际上，通过研究只占巨星总量的约1%的富锂星，天文学家或许只窥探到锂元素问题的冰山一角。在接下来的研究中，天文学家将尝试更精确地确认锂生产的时间点。这样的研究将有助于恒星理论学家确认目前恒星理论中所缺失的关于锂生产的物理过程。
此外，有一部分新产生的锂会以恒星风的形式从恒星中被带走。天文学家可以通过研究这一现象来了解恒星为星系提供了多少锂，从而最终分析出它们是如何将锂带到了像地球这样的行星之上的。
参考链接：
https://theconversation.com/revealed-the-suns-secret-plan-to-become-a-lithium-factory-141976
https://www.nature.com/articles/s41550-020-1139-7
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Campbell et al
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