901萬組光譜數據：如何從中找出夜空中那顆「最閃亮」的星
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導讀
說起鋰元素，大家都不陌生，小到你拿在手裡的iPhone、pad，大到無人飛行器、電動汽車，都在使用鋰電池供電。甚至美國一家公司成功將鋰電池模組併入到紐約電力網路中，用來滿足紐約市民用電高峰的需求。除此之外，鋰元素還被大量應用於航空航天、國防軍工等領域。可見，鋰元素與電池的完美結緣，成為了現代科技革命的「重頭戲」。
出品| 新浪科技《科學大家》
撰文|
閆宏亮 中科院國家天文台助理研究員
王 丹 中科院國家天文台副研究員
黃京一 中科院國家天文台工程師
沒有鋰電池就沒有現代手機、電動汽車的普及。圖片來源：9to5mac.com， Teslarati.com
鋰元素的原子結構非常簡單，它緊隨氫和氦，排在化學元素周期表的第三位。然而如此簡單的元素，卻一直困擾著科學家，因為鋰引出的難題實在太多了。
核反應 來源：本文作者提供
第一個問題：科學家發現古老恆星中的鋰太少了。在宇宙大爆炸中，誕生了宇宙中最初的3種元素（包括其同位素），分別是氫，氦和鋰。它們是組成第一代古老恆星的原材料。天才的粒子物理學家們通過計算，可以知道每種元素究竟產生了多少，而且和古老恆星中觀測到的數量基本吻合，只有鋰元素除外，因為在古老恆星中的鋰只有計算值的1/2到1/3。
第二個問題：恰恰相反，科學家們又發現星際物質中鋰太多了。天文學家在星際物質中發現鋰的含量比大爆炸理論所預言的高4倍左右。星際物質因為其自身特性，是無法產生鋰的，必須要藉助宇宙射線的幫助。不過即使算上所有可能性，產量也不到星際物質中鋰丰度的一半。
第三個問題：所有恆星在誕生時候都是含鋰的，但演化到巨星階段時絕大多數的鋰會被消耗掉，那麼今天的主角出現了——富鋰巨星存在嗎？它有什麼特別之處呢？
粒子物理學家可以計算出宇宙是如何誕生的。圖片來源：The Big Bang Theory
為了解答圍繞鋰元素的這些問題，科學家們在浩瀚的宇宙中不斷探索、前行。
富鋰巨星的搜尋之旅
恆星如同人類一樣，會誕生、成長、衰老、死亡。而巨星階段是恆星暮年的開始，幾乎任何一顆恆星都要經歷這樣一個階段。在標準恆星模型中，恆星在巨星階段會把自身的鋰元素「消化」掉，成為一個在表面上幾乎探測不到鋰元素的天體。
恆星的暮年——紅巨星與太陽的對比。圖片來源：NASA Goddard Space Flight Center
這樣的預言在相當長一段時間內都被認為是正確的。直到1981年，兩位天文學家George Wallerstein和Chris Sneden在一架小望遠鏡上發現了一顆特殊的恆星，它的光譜非常奇特，在本不該有譜線的地方發現了一條很強的鋰線。他們覺得這種現象極為罕見，也無法給出確切的解釋。這種特殊的天體很快成為了大家關注的焦點，人們稱之為富鋰巨星。
富鋰巨星 來源：本文作者提供
為了搞清楚富鋰巨星的來龍去脈，科學家們便開始收集這類天體樣本。然而讓人大跌眼鏡的是，他們發現富鋰巨星的數量實在是少的可憐，大概只佔巨星的0.5%-1%左右。因此搜尋富鋰巨星的工作就如同星海里撈針，非常困難。
富鋰巨星的前世今生
關於富鋰巨星如何形成至今沒有定論。不過一些有趣的猜想卻值得一提。比如，一些理論認為富鋰巨星可能誕生於一次災難級事件，那就是恆星吞噬了自己的行星。這種貌似只有好萊塢大片中才應該有的情節，其實在天文學中並不罕見。
富鋰巨星 來源：本文作者提供
由於鋰元素易消耗的特性，這種元素在行星中反而更容易穩定存在。因此天文學家懷疑是恆星吞噬了自己的行星並「霸佔」了原本屬於行星的鋰，這並不是沒有道理。正如發現富鋰巨星的Wallerstein和Sneden調侃道，居住在那裡的外星人們突然發現他們內層的行星都被自己的「太陽」給吃掉了，一定正尖叫著對宇宙發出各種求救信號，期待著其他種族能夠前來營救他們。
不斷膨脹的紅巨星將周圍的行星吞噬。圖片來源：How the Universe Works
另外一種想法則認為這些鋰元素來自恆星內部。巨星可以形成一種鈹的同位素，而這種元素很容易就會衰變成鋰。但困難是讓形成的鋰元素不被恆星內部的高溫所破壞，就需要一種運輸方式將作為原材料的鈹快速搬運到恆星表面，讓其在比較低溫的區域變成鋰。
通過數值模擬，我們認為藉助不對稱對流，產生如此高的鋰是完全有可能的。這種對流就像是在恆星上安裝了兩種管道，一種管道粗，另一種管道細，在固定的時間裡流過相同量的物質，細的管道流速一定更快。那麼恆星中的物質是如何通過這種不對稱對流形成大量鋰元素的呢，假如科技條件成熟，你也許可以坐在一艘密封艙內親眼去看一看。
當你安全地進入這顆恆星的大氣後，你會發現它表面的物質可能正如沸水一般翻騰。你的密封艙還沒來得及穩定，就在驚濤海浪之中沉入了恆星深層。在這個過程中，你的探測器會告訴你周圍的物質正在快速轉化。在沿著粗管道經歷漫長地下潛之後，你似乎可以看到下方不遠處就是這顆恆星劇烈燃燒的內核，很多氦元素正在轉化成鈹。
你正想仔細觀測這個過程，密封艙已經進入了用來快速上升的細管道。它像火箭一樣開始急劇加速，你幾乎無法再看清任何事物，甚至兩眼發黑。就在你還沒來得及尖叫時，探測器可能已經回到了恆星表面。你發現周圍的物質又開始變化了，它們正從鈹迅速轉變成鋰。你的密封層此時如同大海中的孤舟，正漂浮在一片鋰的海洋之中。
發現人類已知的鋰丰度最高的巨星
我國自主運行管理的郭守敬望遠鏡（LAMOST）大規模巡天的開展，為搜尋富鋰巨星提供了寶貴的機遇。
利用LAMOST數據，我和其他研究人員發現一顆奇特天體：它居住在銀河系中心附近的蛇夫座，距離地球約4500光年，質量不足太陽的1.5倍，鋰元素含量卻是太陽的3000倍，是目前人類已知的鋰丰度最高的巨星，絕對稱得上「奇珍異寶」。這一發現刷新了人類對富鋰巨星的認知，也成為人類研究富鋰現象的絕佳樣本。
發現鋰丰度最高恆星的示意圖（繪圖：中國國家天文）
這顆奇特恆星的發現刷新了人類對天體中鋰丰度的認知，將國際上富鋰巨星的鋰丰度觀測極限提高了一倍，它將作為一個獨特的樣本在以後的科學研究中持續發揮價值。同時，關於富鋰巨星的形成原因也一直眾說紛紜，我們的科學家在理論上對鋰元素的合成和恆星演化理論提出獨樹一幟的新觀點，在一定程度上改變了人們對富鋰巨星的傳統認知。
乘坐密封艙進入恆星 圖片來源：維基百科
郭守敬望遠鏡取得的成就
LAMOST是我國科學家自主創新研製的一架主動反射施密特天文望遠鏡。它應用主動光學技術，實現了在觀測中鏡面曲面連續變化、不同瞬間是不同的施密特光學系統，突破了天文望遠鏡大口徑與大視場難以兼得的瓶頸，是世界上口徑最大的大視場望遠鏡。
8月7日，中國科學院國家天文台宣布，郭守敬望遠鏡（英文簡稱LAMOST）已圓滿完成一期光譜巡天觀測。一期巡天共發布光譜901萬，其中高質量光譜（信噪比大於10）777萬，確定534萬組恆星光譜參數。
LAMOST先導巡天和一期巡天天區覆蓋 （國家天文台袁海龍繪製 ）
一期巡天以來，利用LAMOST數據共發表SCI論文345篇，引用3000餘次。一批高顯示度的亮點成果引起公眾廣泛的關註：
1、利用LAMOST數據的大樣本優勢，給銀河系「重新畫像」
銀河系下的LAMOST（國家天文台陳穎為攝）
（1） 銀盤半徑大小被兩次刷新，從2017年發現增大25%，到2018年增大到一倍，這一成果使天文學家重新審視星系形成及宇宙演化的一般規律；
銀盤半徑大小變化示意圖（元博繪製）
（2）改寫銀河系暈的結構特徵，確立為內扁外圓的新結構，這一清晰的證據推翻了前人關於恆星暈是一個軸比不變的扁球體的猜測，對於理解銀河系恆星暈的形成歷史和演化提出了新的挑戰；
銀暈內扁外圓結構示意圖（國家天文台劉超繪製）
（3）在運動學和化學空間發現銀河系併合形成的新證據，在運動學空間發現7個源自銀河系併合過程的新星流，占國際同類發現總數的一半，在化學空間發現了33顆丰度不同於普通恆星的「低α丰度恆星」，是國際同類發現總數的兩倍；
銀河系星流示意圖（紫金山天文台常江繪製 ）
（4）暗物質占星系總質量的90%以上，但大多數分布很彌散，在太陽所在位置處暗物質所佔比例非常低。這就給我們直接探測暗物質帶來了巨大困難。利用LAMOST數據對太陽附近的暗物質密度進行了重新估算。這對尋找暗物質粒子、理解暗物質在銀河系中分布具有重要意義；
（5）銀河系的旋轉曲線是研究銀河系質量分布最為有力和直接的手段。利用LAMOST數據計算出迄今為止最為精確的外盤旋轉曲線並構建了銀河系的質量模型，估算出銀河系的質量和太陽鄰域暗物質密度。
2、在恆星物理方面，亮點成果如雨後春筍不斷湧現
（1）精確估算了上百萬顆恆星的年齡，使具有精確年齡的恆星樣本增加了一千倍。為銀河系演化研究提供了基礎數據；
恆星蠍虎座EV超級耀斑爆發（美國航空航天局的雨燕衛星觀測 ）
（2）測量近6000顆類太陽恆星的磁活動指數，發現太陽具有與超級耀斑恆星相當的磁活動水平，證實太陽有爆發超級耀斑的可能；
（3）首次測量了近700顆系外行星的軌道偏心率和傾角。發現約八成的行星軌道都如同太陽系的近圓形軌道。表明太陽系在宇宙中並不是一個特例而是具有一定代表性的。在某種程度上增強了人類尋找另一個地球和地外生命的信心；
熱木星和熱海星示意圖（北京天文館馬勁繪製）
（4）利用LAMOST數據發現了一類新的太陽系外行星族群——熱海星，它們與熱木星有幾個相同的標誌特徵，為揭開熱木星和其它短周期行星起源提供了關鍵的線索和嶄新的研究方向。
3、在LAMOST光譜中「星海拾珍」，搜尋奇異天體
（1）年老的貧金屬星就像宇宙「化石」一樣記錄了宇宙化學演化的最初歷史，對它們的分析，可以實現對第一代恆星和早期宇宙本質的「恆星考古」。在LAMOST光譜中已發現了萬餘顆金屬含量低於太陽百分之一乃至萬分之一的貧金屬星，構建了目前世界上最大的、適合現有大望遠鏡跟蹤觀測的宇宙化石樣本。同時，發現了一批極其稀有的、鋰元素丰度超過正常值上百倍的小質量貧金屬星，對其結構和演化提供全新的理論研究視角；
銀河系中心黑洞彈射出超高速星示意圖 （圖片來自於NASA網站 ）
（2）在LAMOST近千萬光譜中，大海撈針般的發現了五顆超高速星，目前世界上已證認的超高速星僅有20餘顆。它們為深入研究這類速度很高，最終能夠脫離銀河系引力束縛，「逃離」銀河系的恆星的形成機制提供了重要的樣本；
（3）白矮星是絕大多數恆星最終演化的產物，它是一種大小如地球，質量卻如太陽一般的奇特天體。利用LAMOST「光譜工廠」的優勢，發現了大量不同種類的白矮星，被譽為「白矮星獵手」。
白矮星示意圖 （Miriam Nielsen繪製 ）
4、捕獲來自遙遠宇宙的信息
（1）類星體是銀河系外發光巨大的遙遠天體，其能源來自於其中心超大質量黑洞所吸積周圍物質釋放的巨大引力能，是研究遙遠宇宙的重要探針。在LAMOST光譜中已發現了1.2萬餘顆類星體，他們的平均紅移為1.5，最高紅移為5。此外，還估算出了其中心黑洞質量。這些類星體的發現將對大樣本類星體的統計研究提供重要幫助。
類星體示意圖 （圖片來自於NASA Image and video library網站）
（2）近鄰主星系樣本是21世紀開始的大規模星系光譜巡天中的經典之作。由於光纖碰撞效應，該樣本在小尺度上具有較高的不完備性。LAMOST巡天中將這些遺漏的星系作為補充星系樣本進行觀測。由於巡天範圍廣，在一期巡天中獲得了近萬個補充星系的光譜測量，新增證認了近萬個密近星系對。這些密近星系對為研究星系的併合過程具有重要的科學價值。
密近星系對 （圖片來自於SDSS Skyserver）
在銀河系大規模光譜巡天方面，LAMOST首次實現了天區覆蓋、巡天體積、採樣密度及統計完備性等方面的重大突破，填補了中國大型天文基礎數據的空白，為開展銀河系特別是銀盤的系統研究提供了極好的、具有傳承價值的樣本。
銀河系 來源：本文作者提供
隨著LAMOST光譜巡天的的繼續開展，接下來，人類是否能夠發現更加富有的含鋰天體？不對稱對流到底通過什麼機制觸發？人類是否能夠解開鋰元素留下的種種謎團？……我們拭目以待。
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