研究持续半个世纪的宇宙锂问题

宇宙大爆炸是描述宇宙起源和演化的重要理论框架，其三大观测证据包括宇宙膨胀、宇宙微波背景辐射以及大爆炸核合成（BBN）。根据标准BBN模型，宇宙早期主要产生氢、氦及少量锂等轻元素。氢和氦的观测丰度与理论预言基本一致，但锂丰度的观测结果却与理论预言存在显著差异。结合威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和普朗克（Planck）卫星对宇宙重子密度的测量，标准BBN模型预测原初锂丰度约为A(Li)=2.72。

然而，对贫金属星观测给出的结果却有所不同。1982年，Spite等人发现贫金属热矮星中的锂丰度稳定在2.2左右，这一现象被称为“锂平台”或“Spite平台”（Spite plateau）。当时普遍认为这些贫金属热矮星可以较好的反映宇宙早期的锂丰度，但该观测值却比标准BBN理论预言低了约3倍，这一显著差异被称为“宇宙锂问题”。此后，一些研究发现，在更低金属丰度区域（[Fe/H]<−2.5）的贫金属星中，恒星锂丰度的离散程度明显增加，部分恒星表现出更低的锂丰度，这一现象通常被称为锂平台“熔断”（meltdown）。这一现象使宇宙锂问题更加复杂，也引发了人们对锂平台形成机制的进一步探索。

从巡天筛选到精细测量：极贫金属星研究的黄金组合

极贫金属星在银河系恒星总体中所占比例较小，且由于其金属丰度极低，对其开展高精度元素丰度测量需要高质量光谱数据。如何在海量恒星中高效甄别并筛选出适合开展高精度元素丰度分析的极贫金属星目标，是深入研究宇宙锂问题的重要基础。依托郭守敬望远镜（LAMOST）大天区、多目标光谱巡天的优势，一支由国家天文台研究人员领导的国际研究团队此前从海量巡天数据中筛选出大量贫金属星候选体，并利用昴星团望远镜（Subaru）对其中数百颗较为明亮的候选体开展高分辨率光谱观测（见图1），最终构建了一个覆盖不同演化阶段的极贫金属星研究样本（金属丰度最低达到−4.3 dex）。

图1：研究内容示意图

从Spite平台出发，重新认识宇宙锂问题

为重新审视宇宙锂问题，研究团队采用统一的非局部热动平衡（NLTE）分析方法，对样本恒星的大气参数和锂丰度进行了系统测定。这一方法使锂丰度A(Li)与金属丰度[Fe/H]的比较建立在统一的分析尺度上，有效降低了传统LTE假设在极贫金属星分析中可能引入的系统偏差。得益于此，研究团队发现，无论是在经典平台恒星中，还是在更贫金属的恒星（传统认为的“平台熔断”区域）中，锂丰度均随金属丰度增加呈现上升趋势，并表现出相近的变化规律（见图2）。这一结果意味着传统意义上的Spite平台可能并非严格意义上的“平台”。同时，锂丰度随金属丰度的变化暗示，在银河系早期演化过程中，可能已经存在持续产生锂元素的过程，但其具体来源和贡献仍有待进一步研究。考虑到极贫金属星中同时存在恒星内部锂耗损现象，研究团队推断，今天观测到的锂丰度或许并非大爆炸后的“初始值”，而是在漫长演化过程中，锂的生成过程与消耗过程共同作用后的结果。

图2: NLTE的锂丰度随[Fe/H]的变化趋势。结果显示无论从整体看还是分段看，锂丰度均随[Fe/H]的增加而线性增加。

值得注意的是，近年来发现的超贫金属星（如J0023+0307，[Fe/H] < −6.1，A(Li)=2.02 dex）的观测结果，与本研究揭示的锂丰度变化趋势在误差范围内吻合，进一步支持了本研究揭示的锂丰度变化趋势。然而，由于目前超贫金属星中的锂丰度测量样本仍十分有限，对这一趋势在最低金属丰度端是否延续仍需要更多观测加以检验。

相关论文以 “A Systematic NLTE Study of Very Metal-Poor Stars with Metallicity Down to −4.3 dex. II. Lithium Abundance and New Insight to the Lithium Plateau” 为题发表于《The Astrophysical Journal》。由中国科学院国家天文台闫宏亮研究员（第一作者兼通讯作者）、赵刚院士（共同通讯作者）联合北京大学、北京师范大学、日本国立天文台等单位的学者共同完成。该成果得到国家自然科学基金卓越研究群体项目的资助。论文链接：点击这里。

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新闻来源：LAMOST之声