近日，国家天文台LAMOST特聘青年研究员张敬华博士与施建荣研究员、星云计划研究员闫宏亮、悉尼大学博士生李亚光等人合作，基于国家重大科技基础设施LAMOST（郭守敬望远镜）中、低分辨率光谱数据和美国Kepler空间望远镜星震数据，对1848颗巨星的锂元素含量（锂丰度）进行统计，成功捕捉到恒星在氦闪前后这一关键阶段锂丰度所经历的变化，构建了锂元素在巨星中的演化图像。这是天文学家首次对大批量已知演化阶段的巨星进行锂丰度研究，相关工作发表在国际天文期刊《天体物理学报通讯》（2021,ApJL,919,L3）。  

锂元素是一种充满现代感的化学元素， 但实际上锂元素几乎和宇宙一样古老。它在宇宙诞生后的20分钟内就出现了，它广泛存在于恒星以及星际介质中。因此，分析恒星表面的锂元素在不同演化阶段的丰度分布不仅能够揭示恒星内部结构和经历的物理过程，更是追溯整个银河系化学演化甚至宇宙核合成理论的手段。  

如同人类一样，恒星也有各自的“寿命”。当类太阳恒星步入“晚年”，到达红巨星分支阶段之时，维持恒星产能的是处于氦核外围的氢壳层燃烧。此时的恒星体积变大，比主序阶段巨大的多，就像发福了一样，因此被称为巨星。随着恒星的继续演化，处于中心的氦核终将被“点火”，并在几分钟内发生剧烈失控式地燃烧，这个现象也被形象地称为“氦闪”。对于小质量恒星而言，如果说氦闪之前它们拥有氢核“心脏”的话，那么氦闪之后，它们的“心脏”就换成了氦核。对于有稳定的氦核燃烧的恒星也被称为红团簇星。

  
   
图1.小质量恒星演化轨迹。  

虽然红团簇星要比红巨星年老将近百万年，但是两类恒星在温度和光度方面相差无几，利用传统方式很难区分。不过，因为拥有不同的“心脏”，它们震动的频率不尽相同。借助Kepler望远镜采集的恒星震动信号，天文学家给数万颗恒星做了“心电图”，以此来确定恒星所处的演化阶段。不仅如此，恒星的震动信息还能帮助天文学家对恒星的质量和半径进行精确估算。  

借助这一新型手段，张敬华等人通过对LAMOST DR7中、低分辨率光谱所测量的恒星锂丰度样本和Kepler、K2视场中已明确演化阶段的巨星进行交叉，并结合星震学参数估算了样本的质量和半径，最终绘制出了锂元素随着这批“老年”恒星的演化图像。  

利用该演化图像，研究人员发现红巨星的锂丰度会呈现出和理论模型一致的自然衰减趋势，但是红团簇星却并未显示出类似的特性。这样的差异恰好反映了两类恒星内部结构的区别。此外，对于质量不超过两个太阳的巨星，那些刚刚完成氦闪进入稳定氦核燃烧阶段的红团簇星要比即将产生氦闪现象的红巨星表面锂丰度高出4倍左右！此观测结果与之前天文学家提出的“氦闪可引起红团簇星内部锂元素再生”的理论是相吻合的，这也是研究人员首次从观测角度得到与该理论相关的直接证据。研究人员还发现对于那些锂元素含量异常高，甚至超过原初锂丰度（宇宙大爆炸模型预测值）的红团簇星，氦闪理论似乎很难解释红团簇星中如此高的锂含量，除非在氦闪过程中有其它未知的物理机制。 该成果为研究恒星锂丰度演化及揭示恒星内部结构和经历的物理过程提供了重要的参考依据。