宇宙中鋰元素數量為何時多時少？最新研究終於解惑

當今社會，鋰可謂無處不在。19世紀中葉，這種柔軟的銀白色金屬曾被用來治療痛風和各種精神疾病。即使到了今天，鋰依然是治療躁鬱症的常用藥物。但對於很多人來說，鋰就像是電池的同義詞。你的手機、電腦和諸多電子設備都離不開鋰。隨著電動汽車的興起，鋰也將變得越發重要。據估計，到了2025年，鋰的使用量將增長到今天的三倍。

鋰主要產自南美洲，安第斯山脈一些乾涸的湖泊下方埋藏著數量巨大的鋰礦。但鋰最初出現的時間比任何山脈都早得多，甚至比地球本身還要早。事實上，鋰是138億年前宇宙大爆炸中和氫、氦同期出現的首批元素。

鋰的歷史十分漫長，但存在諸多疑點。宇宙大爆炸之後，大多數新生的鋰莫名消失得無影無蹤。此外，天文學家研究現代宇宙時，又發現了一些多餘的鋰，數量達大爆炸中生成的四倍之多。

十餘年來，科學家一直在尋找這些多餘的鋰的來源。而最近的幾項發現終於給這一未解之謎畫上了句號。從你呼吸的氧氣，到你血液中的鐵，人體內的大部分元素都來自於恆星內部的核聚變。正如天文學家卡爾·薩根所言：「恆星打造了人類。」

不過，鈦之類的重元素需要更加猛烈的化學反應才能形成。此類元素多數來自巨型恆星爆炸時發生的核反應。還有些金屬元素，如金，甚至需要密度極高的中子星相撞才能形成。

但最基本的元素都是在宇宙大爆炸三分鐘之內形成的。早期宇宙如同一鍋由等離子體組成的滾燙濃湯，而在它膨脹、冷卻的過程中，大部分等離子體凝結成了氫原子和氦原子。它們是宇宙中最簡單、也最常見的兩種元素，原子核分別含有一個和兩個質子。

大爆炸還生成了氘（即重氫，原子核中除一個質子之外，還含有一個中子），以及原子核中只有一個、而非兩個中子的氦。除此之外，大爆炸還生成了數量極少的鋰。三分鐘之後，宇宙的溫度已經降得過低，無法再形成新元素。

雖然這發生在138億年前，但科學家對生成首批元素的核反應已有了充分的了解。威爾金森各向異性微波探測器衛星（WMAP）和普朗克衛星提供了早期宇宙的精確數據，使研究人員得以準確算出每種元素及其同位素的含量。

但研究人員將計算結果與觀測結果進行對比後發現，並非每項結果都正好吻合。「氘和氦的含量都和計算結果差不多，但鋰的偏差很大。」伊利諾伊大學天文物理學家布萊恩·菲爾斯指出。早期宇宙中實際存在的鋰比應該存在的鋰少了三倍。科學家將這一差異稱作「原始鋰問題」。宇宙學家早在近20年前就發現了這一問題，並提出了多種解釋。

有些科學家指出，也許恆星內部的某些未知反應破壞了早期形成的鋰，甚至可能涉及全新的物理法則。例如，暗物質也許以某種方式清除了早期宇宙中的鋰元素。然而，雖然早期宇宙中的鋰含量不足，如今情況卻恰好相反。天文學家發現，一些新生恆星和太陽系隕石的表面含有大量鋰元素，含量比宇宙大爆炸生成的鋰元素高四倍。銀河系中的鋰元素總重量相當於150顆太陽。

一定有某種神秘力量創造了這些多餘的鋰，將其散布到宇宙各處。它們參與了太陽系的誕生，最終在數十億年之後成為了你手機電池中的一部分。問題是，這一「神秘力量」究竟為何物？宇宙射線也許與之有關。宇宙射線由高能粒子構成（主要是質子），在宇宙中來回掃蕩。它們難免會與氧原子等原子相撞，使其破裂成一系列更輕的元素，比如鋰等。

雖然星系中隨處可見這一過程，但菲爾斯指出，計算顯示這些撞擊生成的鋰僅占鋰總量的20%。大爆炸生成的鋰也佔了20%，剩下的60%仍然不知來自何處。在這60%中，或許一部分來自所謂的「漸進巨星分支恆星」（簡稱AGB恆星）。此類恆星質量屬於中等偏低，不超過太陽的10倍，且已接近生命盡頭。鋰元素可通過AGB恆星內部的核反應生成，然後轉移到恆星表面。但科學家尚不清楚有多少鋰元素能夠脫離AGB恆星、散布到宇宙中。

宇宙中有一種名叫「新星」的現象。與更強大的超新星不同，新星並不是恆星死亡的直接產物。它們往往發生在白矮星表面。白矮星與太陽差不多大的恆星留下的遺骸，尺寸與地球相近。若白矮星正好和另一顆恆星共處同一軌道，白矮星的引力就會將另一顆恆星的氫氣吸向自己。這些物質聚集在白矮星表面，使溫度和壓力不斷升高，最終引發熱核聚變，從而生成鋰元素。

而核聚變將導致溫度進一步升高，誘發更多核聚變反應。不久，這些物質就會爆炸。在地球看來猶如一顆明亮的恆星，因此得名「新星」。西班牙安達盧西亞天文物理研究所天文學家盧卡·伊佐指出，爆炸可將鋰等物質以每秒幾千公里的速度噴射到太空中，因此新星擴散鋰元素的能力比AGB恆星更強。

多年來，天文學家一直試圖弄清宇宙射線、AGB恆星或新星中哪一種產生的鋰元素最多。「我們知道這三者都會生成鋰元素，」菲爾斯表示，「但問題是，它們產生的鋰元素究竟含量均等？還是其中之一佔主流？科學家針對這個問題爭議不斷。」

早在40年前，研究人員就認定新星能夠生成大量鋰元素。上世紀90年代中葉，精密計算為該假說提供了進一步支持。但這一理論仍缺乏觀測結果作為依據。數十年來，從未有人觀察到過正在產生鋰元素的新星。不過到了2015年初，情況終於有所改變。

日本和歐洲的兩支天文學家團隊利用最先進的設備和技術，終於在新星中探測到了鋰元素。這一發現不僅證實新星確實能產生鋰，還顯示新星生成的鋰佔了宇宙中的絕大多數。「這一結果非常驚人。」亞利桑那大學天文物理學家桑內爾·斯塔菲爾德指出。他也是上世紀70年代末首批參與新星研究的科學家之一。2015年，日本國立天文台Akito Tajitsu帶領的研究團隊在一顆新星中發現了鈹。由於鈹可衰變成鋰，這一發現足以證實新星可產生鋰元素。

幾個月後，伊佐及其帶領的團隊發表了另一篇研究報道，稱在另一顆新星中直接探測到了鋰的存在。接著，2016年初，Tajitsu團隊又在另外兩顆新星中發現了鈹，其中一顆名為V5668。不久，伊佐所在的、由義大利的里雅斯特天文台的保羅·莫拉羅帶領的研究團隊進一步證實，新星V5668中存在鈹。

這樣一來，總共四顆新星都存在能夠生成鋰元素的證據，其中一顆更是得到了兩支研究團隊的先後確認。「光譜學專家其實也得到了相似結果。」西班牙加泰羅尼亞理工大學的喬迪·荷西指出，「這些證據頗有分量。他們找到了一顆剛爆炸完的新星，並對其噴射的物質展開了測量，」菲爾斯說道，「發現其中含有數噸重的鋰元素。」

事實上，伊佐表示，他所在團隊觀測到的新星產生的鋰元素極多，只需兩顆這樣的新星，每年就足以產生銀河系中可觀測到的全部鋰元素。不過這只是初步估計，研究人員將對更多新星展開分析，希望證實他們的測量結果。

各類數據依然至關重要。「有了這些測量結果，我們正在逐步接近事實真相。」菲爾斯說道。為了這些數據，斯塔菲爾德和荷西等研究人員已經翹首以盼了數十年。如今他們計劃重新開展計算、設計模型，並將其與最新觀測結果進行比較。「好戲才剛剛開場。」荷西說道。

接下來，科學家將驗證現有的新星模型是否正確，並判斷它們可產生的鋰元素數量。荷西等研究人員曾以此前的模型為基礎，預計新星產生的鋰元素將佔宇宙中多餘鋰元素的一半。但他指出，根據最新觀測結果，這一比重將提高到80%。

在此闡明，這些研究結果仍未能解決原始鋰問題，即為何早期宇宙中鋰元素的含量遠遠少於科學家預期。但上述新發現或許能提供一些思路。「我們對宇宙後期鋰元素的形成過程有了更好的了解，這有助於我們弄清鋰在宇宙中的發展歷史，如它剛剛形成時數量有多少，以及何時開始以新的方式生成等。」菲爾斯說道。

鋰在現代技術中舉足輕重，科學家自然希望了解它的完整歷史。無論它們誕生自宇宙大爆炸，還是產自某顆死去恆星表面的核爆，這些鋰原子都已走過了極為悠久、漫長的「一生」。

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