鋰元素從何而來

鋰（Li）是一種應用廣泛的元素，從製藥到電池製造，都有鋰的身影。鋰是從哪裡來的呢？或許你會對這個顯而易見的問題嗤之以鼻——當然從地球上開採的啊。但這裡想要追問的是鋰的宇宙起源。要回答這個問題並不容易，其實直至今日，科學家都無法為這個問題提供一個清晰明確的答案。

由SOHO空間望遠鏡拍攝的太陽。| 圖片來源：SOHO/NASA

最近，一個國際天文學家團隊在研究了成千上萬顆類太陽恆星（質量和金屬豐度與太陽相似）之後，意外地發現在這些恆星的生命末期，會產生大量的鋰。而這一結果之所以讓天文學家倍感意外，是因為現有的恆星模型並沒有預測到會出現這樣的情況，這表明現有的恆星理論中一定缺失了某些重要的物理過程。

鋰是一種非常特殊的元素，它是138億年前當宇宙大爆炸發生時就產生了的唯一金屬。自那之後，隨著恆星的演化，大量的其他元素開始產生。然而作為從一開始就已存在的金屬，鋰的增長量卻並不顯著。宇宙中隻含有為數不多的鋰。與此同時，科學家無法確認這些鋰的來源。

鋰（Li）是元素周期表中的第三號元素，原子核中有3個質子。| 圖片來源：geralt / Pixabay

今天，鋰的來源仍是一個讓科學家們爭論的問題。有人認為，鋰是由高能宇宙射線與星際空間中的較重的碳和氧等元素發生撞擊，將它們分裂成較輕的原子所產生的。

在天文學家看來，鋰是一種很脆弱的元素，因為它們很容易毀於恆星內部的高溫之中。通過分析星光光譜，天文學家能確定一顆恆星所包含的各種元素的含量。從過去的對恆星表面的鋰的觀測中，天文學家已經得出一個結論，那就是隨著恆星的變老，恆星中的鋰會逐漸被摧毀。

那麽，這一結論適用於所有恆星嗎？答案是否定的，一組被稱為“富鋰巨星”的恆星就是例外。這些恆星於40年前首次被發現，它們的含鋰量是其他巨星的1000倍。富鋰巨星並不常見，約只有1%的巨星是富鋰巨星。在很長一段時間裡，富鋰巨星的確切進化階段都是未知的，它們是如何、在何時產生鋰的一直是一個謎。

所有類太陽恆星在燃燒完它們核心的所有氫之後，最終都會變成紅巨星，它們會變得更亮，顏色更紅，體積會擴大數百倍——甚至吞沒掉原本環繞它們運行的行星。

這是一張由哈勃空間望遠鏡拍攝的顯示了恆星生命的不同階段的圖片，圖中包含年輕的藍熱恆星和年長的紅巨星。新的研究集中關注紅巨星中的鋰含量。| 圖片來源：NASA & ESA & T. Brown

當恆星變成巨星時，它們會先後經歷三個不同的巨星階段：紅巨星支（RGB）、紅團簇星（RC）、漸進巨星支（AGB）。處於這三個不同的階段中的恆星在顏色和亮度上都很相似，所以了解富鋰的恆星在產生鋰時正處於哪一個階段至關重要。而在研究富鋰巨星如何產生鋰這個問題時，天文學家所面臨的一個主要難題就在於，他們難以確切地得知這些富鋰巨星究竟紅巨星的哪個階段。

在眾多理論中，有一種已被廣泛接受的主流說法。2011年，有天文學家提出，富鋰巨星很可能處於第二巨星階段，即紅團簇星（RC），後來的一些實驗觀測也讓這種說法得到了更進一步的證實。天文學家基本確定，絕大多數的富鋰巨星都是紅團簇星。

在最近發表的這項新研究中，研究人員通過分析100多萬顆恆星的數據，對富鋰巨星進行了進一步研究。其中有20萬顆類太陽恆星樣本證實了富鋰恆星的確處於紅團簇星階段的說法；而在早於紅團簇星階段的紅巨星支階段，研究人員檢測到了鋰被摧毀的跡象，這一結果是符合理論預期的。

然而就在此時，天文學家注意到了一些奇怪的現象。他們發現雖然其他一些處於紅團簇星階段的恆星的鋰含量不是非常高，但它們鋰含量比處於紅巨星支末期的恆星要多得多。這似乎表明，這些恆星在從紅巨星支過渡到紅團簇星的過程中產生了鋰。

而且，所有處於紅團簇星階段的恆星似乎都比處於紅巨星支階段的恆星含有更多的鋰。這意味著在未來的某個時刻，太陽也會像這些類太陽恆星一樣產生大量的鋰。

總的來說，雖然研究人員還沒有徹底解開鋰的富集究竟是如何發生的，但根據已有數據，天文學家已經能對其發生頻率進行判斷。新的研究表明，所有的類太陽恆星可能都會出現鋰的富集現象，而且它們就發生在紅巨星支階段結束和紅團簇星階段開始之間的某個時間。

實際上，通過研究隻佔巨星總量的約1%的富鋰星，天文學家或許隻窺探到鋰元素問題的冰山一角。在接下來的研究中，天文學家將嘗試更精確地確認鋰生產的時間點。這樣的研究將有助於恆星理論學家確認目前恆星理論中所缺失的關於鋰生產的物理過程。

此外，有一部分新產生的鋰會以恆星風的形式從恆星中被帶走。天文學家可以通過研究這一現象來了解恆星為星系提供了多少鋰，從而最終分析出它們是如何將鋰帶到了像地球這樣的行星之上的。

參考鏈接：

https://theconversation.com/revealed-the-suns-secret-plan-to-become-a-lithium-factory-141976

https://www.nature.com/articles/s41550-020-1139-7

封面圖來源：NuSTAR

聲明：轉載此文是出於傳遞更多信息之目的。若有來源標注錯誤或侵犯了您的合法權益，請作者持權屬證明與本網聯繫，我們將及時更正、刪除，謝謝。

來源：中科院高能所