宇宙中锂元素数量为何时多时少?最新研究终于解惑

更新时间:2017-03-06  信息来源:
  北京时间3月6日消息,据国外媒体报道,当今社会,锂可谓无处不在。19世纪中叶,这种柔软的银白色金属曾被用来治疗痛风和各种精神疾病。即使到了今天,锂依然是治疗躁郁症的常用药物。但对于很多人来说,锂就像是电池的同义词。你的手机、电脑和诸多电子设备都离不开锂。随着电动汽车的兴起,锂也将变得越发重要。据估计,到了2025年,锂的使用量将增长到今天的三倍。

  锂主要产自南美洲,安第斯山脉一些干涸的湖泊下方埋藏着数量巨大的锂矿。但锂最初出现的时间比任何山脉都早得多,甚至比地球本身还要早。事实上,锂是138亿年前宇宙大爆炸中和氢、氦同期出现的首批元素。

  锂的历史十分漫长,但存在诸多疑点。宇宙大爆炸之后,大多数新生的锂莫名消失得无影无踪。此外,天文学家研究现代宇宙时,又发现了一些多余的锂,数量达大爆炸中生成的四倍之多。

  十余年来,科学家一直在寻找这些多余的锂的来源。而最近的几项发现终于给这一未解之谜画上了句号。从你呼吸的氧气,到你血液中的铁,人体内的大部分元素都来自于恒星内部的核聚变。正如天文学家卡尔·萨根(Carl Sagan)所言:“恒星打造了人类。”

如今宇宙中的锂元素数量比宇宙大爆炸生成的多得多。

有些金属元素是在中子星剧烈相撞时形成的。

暗物质至今仍是未解之谜。


  不过,钛之类的重元素需要更加猛烈的化学反应才能形成。此类元素多数来自巨型恒星爆炸时发生的核反应。还有些金属元素,如金,甚至需要密度极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钟之内形成的。早期宇宙如同一锅由等离子体组成的滚烫浓汤,而在它膨胀、冷却的过程中,大部分等离子体凝结成了氢原子和氦原子。它们是宇宙中最简单、也最常见的两种元素,原子核分别含有一个和两个质子。

  大爆炸还生成了氘(即重氢,原子核中除一个质子之外,还含有一个中子),以及原子核中只有一个、而非两个中子的氦。除此之外,大爆炸还生成了数量极少的锂。三分钟之后,宇宙的温度已经降得过低,无法再形成新元素。

  虽然这发生在138亿年前,但科学家对生成首批元素的核反应已有了充分的了解。威尔金森各向异性微波探测器卫星(WMAP)和普朗克卫星提供了早期宇宙的精确数据,使研究人员得以准确算出每种元素及其同位素的含量。

  但研究人员将计算结果与观测结果进行对比后发现,并非每项结果都正好吻合。“氘和氦的含量都和计算结果差不多,但锂的偏差很大。”伊利诺伊大学天文物理学家布莱恩·菲尔斯(Brian Fields)指出。早期宇宙中实际存在的锂比应该存在的锂少了三倍。科学家将这一差异称作“原始锂问题”(primordial)。宇宙学家早在近20年前就发现了这一问题,并提出了多种解释。

  有些科学家指出,也许恒星内部的某些未知反应破坏了早期形成的锂,甚至可能涉及全新的物理法则。例如,暗物质也许以某种方式清除了早期宇宙中的锂元素。然而,虽然早期宇宙中的锂含量不足,如今情况却恰好相反。天文学家发现,一些新生恒星和太阳系陨石的表面含有大量锂元素,含量比宇宙大爆炸生成的锂元素高四倍。银河系中的锂元素总重量相当于150颗太阳。

  一定有某种神秘力量创造了这些多余的锂,将其散布到宇宙各处。它们参与了太阳系的诞生,最终在数十亿年之后成为了你手机电池中的一部分。问题是,这一“神秘力量”究竟为何物?宇宙射线也许与之有关。宇宙射线由高能粒子构成(主要是质子),在宇宙中来回扫荡。它们难免会与氧原子等原子相撞,使其破裂成一系列更轻的元素,比如锂等。

  虽然星系中随处可见这一过程,但菲尔斯指出,计算显示这些撞击生成的锂仅占锂总量的20%。大爆炸生成的锂也占了20%,剩下的60%仍然不知来自何处。在这60%中,或许一部分来自所谓的“渐进巨星分支恒星”(简称AGB恒星)。此类恒星质量属于中等偏低,不超过太阳的10倍,且已接近生命尽头。锂元素可通过AGB恒星内部的核反应生成,然后转移到恒星表面。但科学家尚不清楚有多少锂元素能够脱离AGB恒星、散布到宇宙中。

图为两颗密度极大的白矮星围绕彼此旋转。


  宇宙中有一种名叫“新星”的现象。与更强大的超新星不同,新星并不是恒星死亡的直接产物。它们往往发生在白矮星表面。白矮星与太阳差不多大的恒星留下的遗骸,尺寸与地球相近。若白矮星正好和另一颗恒星共处同一轨道,白矮星的引力就会将另一颗恒星的氢气吸向自己。这些物质聚集在白矮星表面,使温度和压力不断升高,最终引发热核聚变,从而生成锂元素。

  而核聚变将导致温度进一步升高,诱发更多核聚变反应。不久,这些物质就会爆炸。在地球看来犹如一颗明亮的恒星,因此得名“新星”。西班牙安达卢西亚天文物理研究所天文学家卢卡·伊佐(Luca Izzo)指出,爆炸可将锂等物质以每秒几千公里的速度喷射到太空中,因此新星扩散锂元素的能力比AGB恒星更强。

  多年来,天文学家一直试图弄清宇宙射线、AGB恒星或新星中哪一种产生的锂元素最多。“我们知道这三者都会生成锂元素,”菲尔斯表示,“但问题是,它们产生的锂元素究竟含量均等?还是其中之一占主流?科学家针对这个问题争议不断。”

  早在40年前,研究人员就认定新星能够生成大量锂元素。上世纪90年代中叶,精密计算为该假说提供了进一步支持。但这一理论仍缺乏观测结果作为依据。数十年来,从未有人观察到过正在产生锂元素的新星。不过到了2015年初,情况终于有所改变。

  日本和欧洲的两支天文学家团队利用最先进的设备和技术,终于在新星中探测到了锂元素。这一发现不仅证实新星确实能产生锂,还显示新星生成的锂占了宇宙中的绝大多数。“这一结果非常惊人。”亚利桑那大学天文物理学家桑内尔·斯塔菲尔德(Sumner Starrfield)指出。他也是上世纪70年代末首批参与新星研究的科学家之一。2015年,日本国立天文台Akito Tajitsu带领的研究团队在一颗新星中发现了铍。由于铍可衰变成锂,这一发现足以证实新星可产生锂元素。

  几个月后,伊佐及其带领的团队发表了另一篇研究报道,称在另一颗新星中直接探测到了锂的存在。接着,2016年初,Tajitsu团队又在另外两颗新星中发现了铍,其中一颗名为V5668。不久,伊佐所在的、由意大利的里雅斯特天文台的保罗·莫拉罗(Paolo Molaro)带领的研究团队进一步证实,新星V5668中存在铍。

  这样一来,总共四颗新星都存在能够生成锂元素的证据,其中一颗更是得到了两支研究团队的先后确认。“光谱学专家其实也得到了相似结果。”西班牙加泰罗尼亚理工大学的乔迪·荷西(Jordi José)指出,“这些证据颇有分量。他们找到了一颗刚爆炸完的新星,并对其喷射的物质展开了测量,”菲尔斯说道,“发现其中含有数吨重的锂元素。”

  事实上,伊佐表示,他所在团队观测到的新星产生的锂元素极多,只需两颗这样的新星,每年就足以产生银河系中可观测到的全部锂元素。不过这只是初步估计,研究人员将对更多新星展开分析,希望证实他们的测量结果。

  各类数据依然至关重要。“有了这些测量结果,我们正在逐步接近事实真相。”菲尔斯说道。为了这些数据,斯塔菲尔德和荷西等研究人员已经翘首以盼了数十年。如今他们计划重新开展计算、设计模型,并将其与最新观测结果进行比较。“好戏才刚刚开场。”荷西说道。

宇宙大爆炸之后,大多数新生的锂莫名消失得无影无踪。

新星爆炸发生在白矮星表面。


  接下来,科学家将验证现有的新星模型是否正确,并判断它们可产生的锂元素数量。荷西等研究人员曾以此前的模型为基础,预计新星产生的锂元素将占宇宙中多余锂元素的一半。但他指出,根据最新观测结果,这一比重将提高到80%。

  在此阐明,这些研究结果仍未能解决原始锂问题,即为何早期宇宙中锂元素的含量远远少于科学家预期。但上述新发现或许能提供一些思路。“我们对宇宙后期锂元素的形成过程有了更好的了解,这有助于我们弄清锂在宇宙中的发展历史,如它刚刚形成时数量有多少,以及何时开始以新的方式生成等。”菲尔斯说道。

  锂在现代技术中举足轻重,科学家自然希望了解它的完整历史。无论它们诞生自宇宙大爆炸,还是产自某颗死去恒星表面的核爆,这些锂原子都已走过了极为悠久、漫长的“一生”。