终于解决了!困扰天体物理学60年的问题,锂元素如何产生?

在我们得印象中,宇宙中所有的元素,从最轻到最重,它们的来源问题貌似都已经解决了。

我们现在知道宇宙的基本元素(氢和氦)来自于大爆炸阶段的核合成,然后这些元素在恒星中被聚变为重元素,大质量恒星死亡时所经历的Ⅱ型超新星爆发会将这些重元素返回到宇宙空间中;

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并且在这个过程中还会通过中子捕获过程大量产生核聚变中无法生成的重元素。可以这么说,Ⅱ型超新星的爆发基本上已经把元素周期表中的重元素包圆了。

剩下的一些缺失的部分或者缺失的比例,我们还可以从中子星的碰撞中找到。

重元素的问题是解决了,但是我们常常却忽略了一些较轻元素的产生,如锂、铍、硼。相信你没有听说过,至少很少会看到有文章介绍这三种元素在恒星聚变中是怎样形成的?

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其实恒星在将氢元素聚变为氦以后,如果它的质量足够大的话,直接会进入碳、氮、氧的聚变,然后是硫、硅,直到铁、钴、镍这些元素。

恒星聚变的中间过程很少会经历锂、铍、硼这三种元素,就算是它们被有幸生成,也会因为高温立刻被电离成为氢、氦和中子,也很难保存在恒星中。

简单点说,恒星聚变不能产生这三种元素。那么问题就来了,这三种元素不能在恒星中产生,但在宇宙中确实存在,那它们是怎么来的呢?

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尤其是我们对锂元素在大自然、太阳系、甚至是在银河系中相对比较高的含量更是无法解释。这个问题困扰了天体物理学将近60年的时间。

不过在最近,由天体物理学家萨姆纳·斯塔尔菲尔德领导的新研究解决了锂元素来源这个难题。找到了缺失的那一部分,这篇论文发表在《美国天文学会天体物理杂志》上。

今天我们就着重说下锂元素是怎么来的?

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上文说了锂元素很难保存在高温的恒星中,但可以存在与行星、小行星或者陨石中,通过测量太阳系陨石中锂元素的含量,我们就能知道在太阳系形成的时候星云中锂元素的含量。

然后通过对银河系大量的恒星进行观测,测量它们的质量、大小、颜色、重元素丰度,然后跟我们的太阳进行比较,并且太阳系测量出来的锂元素丰度,推广至整个银河系。

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最后的出来的结果是,在银河系中锂元素的量相当于1000个太阳质量。

以前我们认为锂元素的来源有三种:

138亿年前的大爆炸核合成。早期大爆炸的过程中,宇宙空间虽然在膨胀,但是在很短的时间内温度和密度非常高,足以引起类似于恒星中发生的核聚变。

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这个发生在整个宇宙中氢元素到重元素的过程就是我们所说的大爆炸核合成,其在很短的时间内将宇宙中所有的质子和中子转化为了大约75%的氢,也就是单个质子;25%的氦;0.00000007%的铍-7。

由于铍-7非常不稳定会在很短的时间内通过捕获一个电子会将质子转化为中子,变为稳定的锂-7。大爆炸合成的锂-7,按比例来说在银河系中只相当于80个太阳质量。

宇宙射线(高能粒子)撞击重元素使其重核分裂为轻核。宇宙射线大家非常熟悉,它常常来自于大质量恒星、中子星、黑洞这类高能量天体。

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它撞击重元素以后会产生锂、铍、硼这三种元素,这个过程其实就是地球上这三种元素的主要来源。但它所生成的绝大部分是锂-6,只能产生微不足道的锂-7。

以及非常特殊的恒星聚变过程。在一些质量较小的恒星中,类似于太阳,或者比太阳质量更小,它们在末期会经历红巨星阶段,恒星外层温度会大幅降低。

但是这样的温度依然是无法直接制造锂-7,因为它十分脆弱,但可以像大爆炸的时候制造出铍-7,然后将这些元素对流到外层温度更低的地方,直到它衰变为锂-7。

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所以说在低温、低质量恒星的末期中我们会发现锂-7的含量会大幅增加,并在死亡以后将这些锂-7返回到宇宙中。

但是通过将以上三种来源所产生的锂元素加起来,却低于我们星系锂元素总量的20%。也就是说有大约800个太阳质量的锂-7无法解释。所以说一定有锂元素其他未知的来源。

这次的研究结果发现了以前被我们忽视的新星,这里需要注意的是,它不是Ⅱ型超新星、也不是1a型超新星。

它爆发的过程就产生了我们苦苦寻找的锂-7。那么这种新星是什么?

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新星的爆发需要一颗白矮星和恒星组成的双星系统,白矮星来自于类似太阳恒星死亡以后的残骸,一般它的质量和太阳差不多,但体积只有地球的大小,所以说这种天体的引力非常强,且温度还很高。

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当它周围有一颗处于主序星阶段的恒星时,这颗白矮星就会缓慢的吸积这颗伴星未燃烧的氢气。当质量达到一定程度,不过整体质量肯定会低于1.4倍的太阳质量,不然这颗白矮星会点燃内部的氦聚变,爆发1a型超新星。

也就是说,新星的产生吸积物质的速度要相对缓慢,不然就会失控摧毁整颗白矮星,当这个缓慢的过程使得白矮星周围的氢元素变得足够多,就会点燃边缘氢元素的聚变。

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这个过程中会发生爆炸,产生大量的能量,形成新星。更重要的是,这个过程中会产生大量的铍-7,直接被抛洒到宇宙中。

产生新星爆发的白矮星并不会在爆炸中被摧毁,而是会消耗小它吸积的物质,使得质量回到刚开始的时候,然后它会继续缓慢吸积伴星的物质,然后产生下一次表面核聚变,发生爆炸。

这次科学家团队在新星的爆发过程中发现了大量的铍-7,而且丰度远高于红巨星中的铍-7。

所以所这次的观测发现解释了长期以来星系中,乃至宇宙中锂-7来源确实的问题。它来自于频繁爆发的新星之中。

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