宽距双星“庭审”记：恒星锂消耗的“主谋”与“旁观者” | 国家天文科学数据中心

锂，宇宙大爆炸后最早诞生的元素之一，既是手机电池的核心材料，也是天文学家追踪恒星内部物理过程的“探针”。一个困扰学界数十年的谜题是：为什么相同年龄和成分的恒星，锂消耗速度却截然不同？

近日，杭州电子科技大学硕士研究生谢成成、田海俊教授，联合中国科学院国家天文台施建荣研究员、周泽明博士等合作者，在国际天体物理顶级期刊《The Astrophysical Journal》（ApJ，影响因子5.4，Top期刊）发表最新研究成果。研究团队利用116对宽距双星——被誉为“宇宙最干净实验室”的天然样本，在年老恒星群体中系统厘清了有效温度与自转速度对锂消耗的各自贡献。论文链接：点击这里。

图1. 116对宽距双星的锂丰度与有效温度、投影自转速度等物理参数的关系

宇宙“孪生兄弟”：排除年龄和成分干扰的理想实验室

宽距双星如同一对拥有完全相同DNA的双胞胎：它们诞生于同一团气体云，拥有相同的年龄和初始化学成分。任何双星成员之间的锂含量差异，只能归因于它们出生后各自经历的物理过程——这为甄别锂消耗的真正驱动力提供了无可比拟的条件。

研究团队从欧空局Gaia卫星和澳大利亚GALAH高分辨率光谱巡天数据中，精心筛选出116对高质量宽距双星，精确测量了它们的锂丰度、有效温度和自转速度。

核心结论：有效温度是“主谋”，自转对年老恒星恒星而言仅是“旁观者”。

1.有效温度：锂消耗的第一推动力

研究清晰揭示，锂丰度与有效温度呈现稳定的三段式关系：

锂“凹坑”（6200–6600 K）：锂含量出现明显凹陷，中心区域最低；
锂“高原”（6000–6200 K）：锂含量维持相对稳定；
冷星线性趋势（<6000 K）：温度越低，锂消耗越严重——温度每降低100 K，锂含量减少约15%。

这证实了有效温度（即恒星质量）是控制锂消耗的主导因素。其物理机制在于：温度决定了恒星表面对流层的深度。较冷的恒星拥有更深的对流层，如同一台巨大的“电梯”，将表层含锂物质源源不断输送到高温内部，在那里锂元素被迅速“销毁”。

2.自转：并非独立驱动因素（尤其对年老恒星）

长期以来，天文学界普遍认为“自转越快，锂消耗越剧烈”。然而，这项研究给出了一个关键结果：在扣除有效温度的影响后，自转对锂消耗的独立贡献微乎其微——特别是对于本研究中相对年老的宽距双星（其投影自转速度大多低于25 km/s）。

研究团队发现，看似存在的“自转-锂消耗”相关性，实际上是一种“虚假关联”：温度较高的恒星天生自转较快，同时也保留了更多的锂；而温度较低的恒星自转较慢，但锂消耗更严重。因此，当双星的温度比较相近时，无论自转快慢，它们的锂含量并无显著差异。

这一结论与团队此前在年轻恒星“蛇”（年龄约3500万年）中的发现形成有趣对比：在年轻恒星中，自转确实对锂消耗有较为显著加速作用；而在年老恒星中，自转的影响已基本消退，有效温度成为绝对主控因素。

“贪吃星”之谜：一颗打破常规的富锂恒星

在116对双星中，编号WB01的“双胞胎”系统引起了团队的特别关注。两颗恒星拥有几乎相同的有效温度（约6450 K），按照理论都应处于锂“凹坑”底部，锂含量应极低。然而：

主星：锂含量约2.84 dex
伴星：锂含量仅约1.50 dex

两者相差约1.4 dex，主星的锂含量竟是伴星的25倍！

研究团队提出了两种可能的解释：

1.“星际大餐”（行星吞噬）：主星可能曾吞噬了一颗富含锂的行星或大量小行星，这些“外来锂”使得恒星表面锂丰度变高。

2.“隐形第三者”（未分辨的伴星）：该系统可能实为三合星，一颗暗淡的第三星通过物质转移等方式改变了主星的锂含量。

研究意义：从“模糊相关”到“精准归因”

本研究基于宽距双星这一天然实验室，成功将有效温度和自转两个长期纠缠的因素分离开来，给出了清晰的“责任认定”：

有效温度：锂消耗的“主谋”，贯穿恒星一生；
自转速度：对年老低速恒星而言仅是“旁观者”，其与锂丰度的相关性本质上是温度效应的副产品；
特殊事件：行星吞噬等极端情况可产生违背常规的“富锂星”。

青年学者再挑大梁

该论文第一作者谢成成是杭州电子科技大学2023级硕士研究生，通讯作者为田海俊教授和施建荣研究员。杭州电子科技大学为第一署名单位，国家天文科学数据中心（NADC）之江分中心为第二署名单位。

值得一提的是，该团队在锂丰度演化领域发表的两篇系列文章中，第一作者在本科阶段均非天文学专业出身，却在研究生期间迅速切入前沿，展现了极强的学习与研究潜力。这不仅是一项重要科学发现，更是中国青年科研人才成长路径的生动缩影。

本研究得到国家自然科学基金、浙江省自然科学基金重点项目等资助。