搜尋宇宙鋰富豪

閆宏亮　李雙

在我們的日常生活中，鋰被廣泛應(yīng)用于電池、玻璃、陶瓷等行業(yè)，隨著電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展，鋰電池的使用也越來(lái)越多地融入了我們的生活，成為21世紀(jì)新能源的代表之一。而在天文學(xué)家眼中，鋰元素卻是個(gè)不折不扣的熊孩子。很多看起來(lái)完美無(wú)瑕的天文理論，只要鋰元素一摻和進(jìn)來(lái)，就會(huì)變得非常棘手。

認(rèn)識(shí)富鋰巨星

以恒星為例，有一種叫作巨星（giant star，即巨人恒星）的天體，比普通恒星在體型上要大得多。巨星并不是宇宙王國(guó)中的新物種，它們只是普通恒星的暮年階段而已。就像人類到了晚年身體可能會(huì)發(fā)福一樣，巨星也只是普通恒星進(jìn)入暮年后變“胖”了。

按照經(jīng)典恒星演化理論，巨星中的鋰含量應(yīng)該很低。為什么呢？因?yàn)楹阈窃谂蛎涍^(guò)程中會(huì)把表面的物質(zhì)帶到恒星內(nèi)部，再把內(nèi)部的物質(zhì)挖掘到恒星表面。熊孩子鋰有個(gè)致命的缺點(diǎn)——怕熱。一旦進(jìn)入恒星內(nèi)部的高溫區(qū)域，它會(huì)立刻分解成2個(gè)氦。巨星的鋰元素就這樣持續(xù)被消耗，卻一直得不到補(bǔ)充，巨星擁有的鋰就會(huì)越來(lái)越少。

打個(gè)比方，恒星同志為了發(fā)光發(fā)熱，不斷進(jìn)行核聚變，現(xiàn)在想要退休養(yǎng)老，就要把自己年輕時(shí)攢的鋰財(cái)富取出來(lái)，花掉一大筆。天文學(xué)家在對(duì)銀河系的“星口”進(jìn)行普查時(shí)，發(fā)現(xiàn)99%的暮年恒星，鋰財(cái)富都急劇縮水，的確與科學(xué)家預(yù)測(cè)的銀河系暮年恒星鋰財(cái)富經(jīng)濟(jì)模型相符。本以為找到了暮年恒星的現(xiàn)狀規(guī)律，結(jié)果忘了鋰元素調(diào)皮搗蛋的特性，在普查到最后1% 的暮年恒星時(shí)，突然發(fā)現(xiàn)它們的鋰財(cái)富非但沒(méi)少，有的甚至比退休前還多了很多。這些坐擁大量鋰財(cái)富的暮年恒星，被天文學(xué)家形象地稱為“富鋰巨星”。

富鋰巨星的發(fā)現(xiàn)可以說(shuō)完全是一次巧合。1980年，天文學(xué)家華勒斯坦和斯內(nèi)登在尋找鋇豐度高的恒星時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)一顆巨星中出現(xiàn)了很深的鋰吸收線。經(jīng)過(guò)他們反復(fù)驗(yàn)證，證明這顆恒星中鋰元素的豐度竟然超過(guò)太陽(yáng)100倍。

富鋰巨星的發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)引起了巨大反響，以至于幾乎每個(gè)觀測(cè)天文學(xué)家都對(duì)這些富得流油的恒星躍躍欲試，想尋找更多這類天體。結(jié)果是“不找不知道，找了知不妙”——富鋰巨星的數(shù)量十分稀少，在望遠(yuǎn)鏡技術(shù)尚不如今天先進(jìn)的時(shí)代，運(yùn)氣好的天文學(xué)家，往往需要連續(xù)觀測(cè)數(shù)百顆恒星后，才能找到一兩顆富鋰巨星。望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間成本與產(chǎn)出嚴(yán)重不成比例。

富鋰巨星的搜尋

隨著近年望遠(yuǎn)鏡和巡天規(guī)模的發(fā)展，富鋰巨星的搜尋終于變得不再那么遙不可及。

巡天就是天文學(xué)家用望遠(yuǎn)鏡將天空上的天體無(wú)差別地觀測(cè)一遍。當(dāng)然，由于望遠(yuǎn)鏡本身各不相同，因此每個(gè)巡天項(xiàng)目的側(cè)重點(diǎn)和能力也不盡相同。如果單從數(shù)量上將主要巡天項(xiàng)目對(duì)富鋰巨星的搜尋進(jìn)行總結(jié)，可以得到各大巡天項(xiàng)目（LAMOST、GALAH、GAIA、PTPS、SDSS、RAVE）發(fā)現(xiàn)的富鋰巨星數(shù)目的對(duì)比。從結(jié)果中可以看到，LAMOST一騎絕塵，將其他姊妹項(xiàng)目甩在了身后。

這是為什么呢？這就要說(shuō)到LAMOST的強(qiáng)項(xiàng)之一——超高的光譜獲取效率。

LAMOST焦面上共有4000根光纖，你可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為，它的一次曝光可以同時(shí)獲取4000條光譜。這是什么概念呢？要知道，即使在地球上最晴朗的夜空下，視力良好的人滿打滿算在天空中也就只能看到約3000顆恒星。單純從數(shù)量上看，LAMOST一次曝光就能把裸眼能見(jiàn)到的所有恒星都拍攝下來(lái)（盡管它不能一次看到天空中的所有位置），還富余1000根光纖。這架光譜收集器從2011年起，開(kāi)足馬力，僅用了2年時(shí)間就超過(guò)了人類有史以來(lái)獲取的所有光譜的總和。

截至目前，LAMOST已經(jīng)獲得了約1500萬(wàn)條光譜，這就意味著如果一名狂熱的天文愛(ài)好者每天都研究一條光譜，他至少需要花費(fèi)41000年才能把所有光譜研究完。

在天文學(xué)家的不懈努力和LAMOST超高的觀測(cè)效率下，如今我們已經(jīng)找到了10000多顆富鋰巨星。它們就是那1%、隱藏在普通暮年恒星中的“土豪”。如果以鋰元素為貨幣進(jìn)行估算，銀河系中最富有的那1%暮年恒星持有的財(cái)富，占到所有暮年恒星財(cái)富的1/4。

富鋰巨星首富

在尋找富鋰土豪的過(guò)程中，LAMOST發(fā)現(xiàn)了富鋰巨星中的首富——TYC429-2097-1。

經(jīng)過(guò)天文學(xué)家的精確計(jì)算，發(fā)現(xiàn)這位首富的鋰財(cái)富是普通暮年恒星平均水平的5000倍以上。如果換算成工資，我國(guó)2020年城鎮(zhèn)居民人均可支配收入約為4.4萬(wàn)元，那么這位首富的可支配收入就相當(dāng)于2.2億元。

這是什么概念呢？蘋(píng)果公司CEO蒂姆·庫(kù)克先生，據(jù)報(bào)道其2020年的年薪約為1500萬(wàn)美元（不算股權(quán)收益），換算下來(lái)也就剛剛1億元人民幣，尚不及TYC429-2097-1的一半。我們?cè)贀Q一個(gè)角度來(lái)感受這顆恒星的豪氣。某品牌的電動(dòng)車在滿電狀態(tài)下?lián)碛屑s600千米續(xù)航里程，它的電池容量達(dá)100千瓦時(shí)。如果我們把地球上的所有汽車（約14億輛）全部換成這種電動(dòng)車，且把這顆恒星上的鋰做成一個(gè)巨大的充電寶，全部由它來(lái)提供電能，那么可以同時(shí)讓所有汽車開(kāi)到任何一個(gè)你在夜空中能看到的恒星處。

這位富豪的家在蛇夫座，那是銀河系中心最繁華的地段之一，距離我們有4500光年。雖然在天文學(xué)尺度上這是一個(gè)很近的距離，但是人類現(xiàn)在還沒(méi)有任何手段可以到達(dá)那里。值得一提的是，在此之前，鋰元素財(cái)富排行榜上的首富是HDE233517。它從2000年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)已經(jīng)霸榜長(zhǎng)達(dá)18年之久。而TYC429-2097-1的鋰財(cái)富是它的2倍左右。

本文內(nèi)容來(lái)自《中國(guó)國(guó)家天文》2021年第2期