出品| 新浪科技《科学大家》
撰文|
闫宏亮 中科院国家天文台助理研究员
王丹 中科院国家天文台副研究员
黄京一 中科院国家天文台工程师
说起锂元素，大家都不陌生，小到你拿在手里的iPhone、pad，大到无人飞行器、电动汽车，都在使用锂电池供电。甚至美国一家公司成功将锂电池模组并入到纽约电力网络中，用来满足纽约市民用电高峰的需求。除此之外，锂元素还被大量应用于航空航天、国防军工等领域。可见，锂元素与电池的完美结缘，成为了现代科技革命的“重头戏”。
没有锂电池就没有现代手机、电动汽车的普及。图片来源：9to5mac.com， Teslarati.com
锂元素的原子结构非常简单，它紧随氢和氦，排在化学元素周期表的第三位。然而如此简单的元素，却一直困扰着科学家，因为锂引出的难题实在太多了。
核反应来源：本文作者提供
第一个问题：科学家发现古老恒星中的锂太少了。在宇宙大爆炸中，诞生了宇宙中最初的3种元素（包括其同位素），分别是氢，氦和锂。它们是组成第一代古老恒星的原材料。天才的粒子物理学家们通过计算，可以知道每种元素究竟产生了多少，而且和古老恒星中观测到的数量基本吻合，只有锂元素除外，因为在古老恒星中的锂只有计算值的1/2到1/3。
第二个问题：恰恰相反，科学家们又发现星际物质中锂太多了。天文学家在星际物质中发现锂的含量比大爆炸理论所预言的高4倍左右。星际物质因为其自身特性，是无法产生锂的，必须要借助宇宙射线的帮助。不过即使算上所有可能性，产量也不到星际物质中锂丰度的一半。
第三个问题：所有恒星在诞生时候都是含锂的，但演化到巨星阶段时绝大多数的锂会被消耗掉，那么今天的主角出现了——富锂巨星存在吗？它有什么特别之处呢？
粒子物理学家可以计算出宇宙是如何诞生的。图片来源：The Big Bang Theory
为了解答围绕锂元素的这些问题，科学家们在浩瀚的宇宙中不断探索、前行。
富锂巨星的搜寻之旅
恒星如同人类一样，会诞生、成长、衰老、死亡。而巨星阶段是恒星暮年的开始，几乎任何一颗恒星都要经历这样一个阶段。在标准恒星模型中，恒星在巨星阶段会把自身的锂元素“消化”掉，成为一个在表面上几乎探测不到锂元素的天体。
恒星的暮年——红巨星与太阳的对比。图片来源：NASA Goddard Space Flight Center
这样的预言在相当长一段时间内都被认为是正确的。直到1981年，两位天文学家George Wallerstein和Chris Sneden在一架小望远镜上发现了一颗特殊的恒星，它的光谱非常奇特，在本不该有谱线的地方发现了一条很强的锂线。他们觉得这种现象极为罕见，也无法给出确切的解释。这种特殊的天体很快成为了大家关注的焦点，人们称之为富锂巨星。
富锂巨星来源：本文作者提供
为了搞清楚富锂巨星的来龙去脉，科学家们便开始收集这类天体样本。然而让人大跌眼镜的是，他们发现富锂巨星的数量实在是少的可怜，大概只占巨星的0.5%-1%左右。因此搜寻富锂巨星的工作就如同星海里捞针，非常困难。
富锂巨星的前世今生
关于富锂巨星如何形成至今没有定论。不过一些有趣的猜想却值得一提。比如，一些理论认为富锂巨星可能诞生于一次灾难级事件，那就是恒星吞噬了自己的行星。这种貌似只有好莱坞大片中才应该有的情节，其实在天文学中并不罕见。
富锂巨星 来源：本文作者提供
由于锂元素易消耗的特性，这种元素在行星中反而更容易稳定存在。因此天文学家怀疑是恒星吞噬了自己的行星并“霸占”了原本属于行星的锂，这并不是没有道理。正如发现富锂巨星的Wallerstein和Sneden调侃道，居住在那里的外星人们突然发现他们内层的行星都被自己的“太阳”给吃掉了，一定正尖叫着对宇宙发出各种求救信号，期待着其他种族能够前来营救他们。
不断膨胀的红巨星将周围的行星吞噬。图片来源：How the Universe Works
另外一种想法则认为这些锂元素来自恒星内部。巨星可以形成一种铍的同位素，而这种元素很容易就会衰变成锂。但困难是让形成的锂元素不被恒星内部的高温所破坏，就需要一种运输方式将作为原材料的铍快速搬运到恒星表面，让其在比较低温的区域变成锂。
通过数值模拟，我们认为借助不对称对流，产生如此高的锂是完全有可能的。这种对流就像是在恒星上安装了两种管道，一种管道粗，另一种管道细，在固定的时间里流过相同量的物质，细的管道流速一定更快。那么恒星中的物质是如何通过这种不对称对流形成大量锂元素的呢，假如科技条件成熟，你也许可以坐在一艘密封舱内亲眼去看一看。
当你安全地进入这颗恒星的大气后，你会发现它表面的物质可能正如沸水一般翻腾。你的密封舱还没来得及稳定，就在惊涛海浪之中沉入了恒星深层。在这个过程中，你的探测器会告诉你周围的物质正在快速转化。在沿着粗管道经历漫长地下潜之后，你似乎可以看到下方不远处就是这颗恒星剧烈燃烧的内核，很多氦元素正在转化成铍。你正想仔细观测这个过程，密封舱已经进入了用来快速上升的细管道。它像火箭一样开始急剧加速，你几乎无法再看清任何事物，甚至两眼发黑。就在你还没来得及尖叫时，探测器可能已经回到了恒星表面。你发现周围的物质又开始变化了，它们正从铍迅速转变成锂。你的密封层此时如同大海中的孤舟，正漂浮在一片锂的海洋之中。
发现人类已知的锂丰度最高的巨星
我国自主运行管理的郭守敬望远镜（LAMOST）大规模巡天的开展，为搜寻富锂巨星提供了宝贵的机遇。
利用LAMOST数据，我和其他研究人员发现一颗奇特天体：它居住在银河系中心附近的蛇夫座，距离地球约4500光年，质量不足太阳的1.5倍，锂元素含量却是太阳的3000倍，是目前人类已知的锂丰度最高的巨星，绝对称得上“奇珍异宝”。这一发现刷新了人类对富锂巨星的认知，也成为人类研究富锂现象的绝佳样本。
发现锂丰度最高恒星的示意图（绘图：中国国家天文）
乘坐密封舱进入恒星 图片来源：维基百科
这颗奇特恒星的发现刷新了人类对天体中锂丰度的认知，将国际上富锂巨星的锂丰度观测极限提高了一倍，它将作为一个独特的样本在以后的科学研究中持续发挥价值。同时，关于富锂巨星的形成原因也一直众说纷纭，我们的科学家在理论上对锂元素的合成和恒星演化理论提出独树一帜的新观点，在一定程度上改变了人们对富锂巨星的传统认知。
郭守敬望远镜取得的成就
LAMOST是我国科学家自主创新研制的一架主动反射施密特天文望远镜。它应用主动光学技术，实现了在观测中镜面曲面连续变化、不同瞬间是不同的施密特光学系统，突破了天文望远镜大口径与大视场难以兼得的瓶颈，是世界上口径最大的大视场望远镜。
8月7日，中国科学院国家天文台宣布，郭守敬望远镜（英文简称LAMOST）已圆满完成一期光谱巡天观测。一期巡天共发布光谱901万，其中高质量光谱（信噪比大于10）777万，确定534万组恒星光谱参数。
LAMOST先导巡天和一期巡天天区覆盖 （国家天文台袁海龙绘制 ）
一期巡天以来，利用LAMOST数据共发表SCI论文345篇，引用3000余次。一批高显示度的亮点成果引起公众广泛的关注：
1、利用LAMOST数据的大样本优势，给银河系“重新画像”
银河系下的LAMOST（国家天文台陈颖为摄）
（1） 银盘半径大小被两次刷新，从2017年发现增大25%，到2018年增大到一倍，这一成果使天文学家重新审视星系形成及宇宙演化的一般规律；
银盘半径大小变化示意图（元博绘制）
（2）改写银河系晕的结构特征，确立为内扁外圆的新结构，这一清晰的证据推翻了前人关于恒星晕是一个轴比不变的扁球体的猜测，对于理解银河系恒星晕的形成历史和演化提出了新的挑战；
银晕内扁外圆结构示意图（国家天文台刘超绘制）
（3）在运动学和化学空间发现银河系并合形成的新证据，在运动学空间发现7个源自银河系并合过程的新星流，占国际同类发现总数的一半，在化学空间发现了33颗丰度不同于普通恒星的“低α丰度恒星”，是国际同类发现总数的两倍；
银河系星流示意图（紫金山天文台常江绘制 ）
（4）暗物质占星系总质量的90%以上，但大多数分布很弥散，在太阳所在位置处暗物质所占比例非常低。这就给我们直接探测暗物质带来了巨大困难。利用LAMOST数据对太阳附近的暗物质密度进行了重新估算。这对寻找暗物质粒子、理解暗物质在银河系中分布具有重要意义；
（5）银河系的旋转曲线是研究银河系质量分布最为有力和直接的手段。利用LAMOST数据计算出迄今为止最为精确的外盘旋转曲线并构建了银河系的质量模型，估算出银河系的质量和太阳邻域暗物质密度。
2、在恒星物理方面，亮点成果如雨后春笋不断涌现
（1）精确估算了上百万颗恒星的年龄，使具有精确年龄的恒星样本增加了一千倍。为银河系演化研究提供了基础数据；
恒星蝎虎座EV超级耀斑爆发（美国航空航天局的雨燕卫星观测 ）
（2）测量近6000颗类太阳恒星的磁活动指数，发现太阳具有与超级耀斑恒星相当的磁活动水平，证实太阳有爆发超级耀斑的可能；
（3）首次测量了近700颗系外行星的轨道偏心率和倾角。发现约八成的行星轨道都如同太阳系的近圆形轨道。表明太阳系在宇宙中并不是一个特例而是具有一定代表性的。在某种程度上增强了人类寻找另一个地球和地外生命的信心；
热木星和热海星示意图（北京天文馆马劲绘制）
（4）利用LAMOST数据发现了一类新的太阳系外行星族群——热海星，它们与热木星有几个相同的标志特征，为揭开热木星和其它短周期行星起源提供了关键的线索和崭新的研究方向。
3、在LAMOST光谱中“星海拾珍”，搜寻奇异天体
（1）年老的贫金属星就像宇宙“化石”一样记录了宇宙化学演化的最初历史，对它们的分析，可以实现对第一代恒星和早期宇宙本质的“恒星考古”。在LAMOST光谱中已发现了万余颗金属含量低于太阳百分之一乃至万分之一的贫金属星，构建了目前世界上最大的、适合现有大望远镜跟踪观测的宇宙化石样本。同时，发现了一批极其稀有的、锂元素丰度超过正常值上百倍的小质量贫金属星，对其结构和演化提供全新的理论研究视角；
银河系中心黑洞弹射出超高速星示意图 （图片来自于NASA网站 ）
（2）在LAMOST近千万光谱中，大海捞针般的发现了五颗超高速星，目前世界上已证认的超高速星仅有20余颗。它们为深入研究这类速度很高，最终能够脱离银河系引力束缚，“逃离”银河系的恒星的形成机制提供了重要的样本；
（3）白矮星是绝大多数恒星最终演化的产物，它是一种大小如地球，质量却如太阳一般的奇特天体。利用LAMOST“光谱工厂”的优势，发现了大量不同种类的白矮星，被誉为“白矮星猎手”。
白矮星示意图 （Miriam Nielsen绘制 ）
4、捕获来自遥远宇宙的信息
（1）类星体是银河系外发光巨大的遥远天体，其能源来自于其中心超大质量黑洞所吸积周围物质释放的巨大引力能，是研究遥远宇宙的重要探针。在LAMOST光谱中已发现了1.2万余颗类星体，他们的平均红移为1.5，最高红移为5。此外，还估算出了其中心黑洞质量。这些类星体的发现将对大样本类星体的统计研究提供重要帮助。
类星体示意图 （图片来自于NASA Image and video library网站）
（2）近邻主星系样本是21世纪开始的大规模星系光谱巡天中的经典之作。由于光纤碰撞效应，该样本在小尺度上具有较高的不完备性。LAMOST巡天中将这些遗漏的星系作为补充星系样本进行观测。由于巡天范围广，在一期巡天中获得了近万个补充星系的光谱测量，新增证认了近万个密近星系对。这些密近星系对为研究星系的并合过程具有重要的科学价值。
密近星系对 （图片来自于SDSS Skyserver）
在银河系大规模光谱巡天方面，LAMOST首次实现了天区覆盖、巡天体积、采样密度及统计完备性等方面的重大突破，填补了中国大型天文基础数据的空白，为开展银河系特别是银盘的系统研究提供了极好的、具有传承价值的样本。
银河系来源：本文作者提供
随着LAMOST光谱巡天的的继续开展，接下来，人类是否能够发现更加富有的含锂天体？不对称对流到底通过什么机制触发？人类是否能够解开锂元素留下的种种谜团？……我们拭目以待。
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