“白色石油” 鋰的宇宙起源：太陽是 “煉鋰廠”？

太陽真的會製造鋰元素嗎? 它背後的物理機制又是什麼? 鋰,這個聽起來有點陌生的金屬, 其實就在我們的日常生活裏無處不在, 從精神科藥物,到手機電池,汽車電池, 都離不開它。 那麼,鋰究竟從哪裏來? 你可能會脫口而出, 當然是從地球上開採啊。 但我們今天想問的, 不是礦山, 而是一個更深、更根本的問題, 鋰在宇宙中是怎麼誕生的? 聽起來簡單, 但答案遠比想象中複雜。 直到今天, 科學家都沒辦法給出一個完全確定的解釋。 不過,最新的研究似乎撬動了這個謎題的一角。 一個國際天文學家團隊 在分析了成千上萬顆鐳太陽恆星, 也就是質量, 化學成分都跟太陽差不多的恆星, 結果驚訝地發現, 這些恆星在生命末期, 居然會突然產生大量的鋰。 爲什麼這會讓天文學家大吃一驚? 因爲按照現有的恆星模型, 恆星應該會摧毀鋰, 而不是製造它。 模型裏從來沒預言過這種現象。 這意味着, 我們對恆星內部到底發生了什麼, 還遠遠不瞭解。 現有的恆星理論裏, 可能還缺着某些關鍵的物理過程。 鋰是一種非常特殊的元素, 它是138億年前當宇宙大爆炸發生時就產生的唯一金屬。 自那之後, 隨着恆星的演化, 大量的其他元素開始產生。 然而作爲從一開始就已存在的金屬, 鋰的增長量卻並不顯著, 宇宙中只含有爲數不多的鋰。 與此同時, 科學家無法確認這些鋰的來源。 今天, 鋰的來源仍是一個讓科學家們爭論的問題。 有人認爲, 鋰是由高能宇宙射線於星際空間中的較重的碳和氧等元素髮生撞擊, 將它們分裂成較輕的原子所產生的。 在天文學家看來, 鋰是一種很脆弱的元素, 因爲它們很容易毀於恆星內部的高溫之中。 通過分析星光光譜, 天文學家能確定一顆恆星所包含的各種元素的含量。 從過去的對恆星表面的鋰的觀測中, 天文學家已經得出一個結論, 那就是隨着恆星的變老, 恆星中的鋰會逐漸被摧毀。 那麼,這一結論適用於所有恆星嗎? 答案是否定的, 一組被稱爲負鋰巨星的恆星就是例外。 這些恆星於四十年前首次被發現, 它們的含鋰量是其他巨星的一千倍。 負鋰巨星並不常見, 約只有百分之一的巨星是負鋰巨星。 在很長一段時間裏, 負鋰巨星的確切進化階段都是未知的, 它們是如何在何時產生鋰的一直是一個謎。 所有類太陽恆星在燃燒完它們核心的所有氫之後, 最終都會變成紅巨星, 它們會變得更亮, 顏色更紅, 體積會擴大數百倍, 甚至吞沒掉原本環繞它們運行的行星。 當恆星變成巨星時, 它們會先後經歷三個不同的巨星階段, 紅巨星之、紅團促星、漸進巨星之。 處於這三個不同的階段中的恆星在顏色和亮度上都很相似, 所以瞭解負鋰的恆星在產生鋰時正處於哪一個階段至關重要。 而在研究負鋰巨星如何產生鋰這個問題時, 天文學家所面臨的一個主要難題就在於, 他們難以確切地得知這些負鋰巨星究竟紅巨星的哪個階段。 在衆多理論中, 有一種已被廣泛接受的主流說法, 2011年, 有天文學家提出, 負鋰巨星很可能處於第二巨星階段, 即紅團促星。 後來的一些實驗觀測也讓這種說法得到了更進一步的證實。 天文學家基本確定, 絕大多數的負鋰巨星都是紅團促星。 在最近發表的這項新研究中, 研究人員通過分析一百多萬顆恆星的數據, 對負鋰巨星進行了進一步研究。 其中有20萬顆內太陽恆星樣本證實了負鋰恆星的確處於紅團促星階段的說法, 而在早於紅團促星階段的紅巨星制階段, 研究人員檢測到了鋰被摧毀的跡象。 這一結果是符合理論預期的。 然而就在此時,天文學家注意到了一些奇怪的現象。 他們發現雖然其他一些處於紅團促星階段的恆星的鋰含量不是非常高, 但它們鋰含量比處於紅巨星之默契的恆星要多得多。 這似乎表明這些恆星在從紅巨星之過渡到紅團促星的過程中產生了鋰。 而且,所有處於紅團促星階段的恆星似乎都比處於紅巨星制階段的恆星含有更多的鋰。 這意味着在未來的某個時刻,太陽也會像這些類太陽恆星一樣產生大量的鋰。 總的來說,雖然研究人員還沒有徹底解開鋰的負極究竟是如何發生的, 但根據已有數據,天文學家已經能對其發生頻率進行判斷。 新的研究表明,所有的類太陽恆星可能都會出現鋰的負極現象, 而且它們就發生在紅巨星之階段結束和紅團促星階段開始之間的某個時間。 實際上,通過研究只佔巨星總量的約1%的負鋰星, 天文學家或許只窺探到鋰元素問題的冰山一角。 在接下來的研究中,天文學家將嘗試更精確地確認鋰生產的時間點。 這樣的研究將有助於恆星理論學家確認目前恆星理論中所缺失的關於鋰生產的物理過程。 此外,有一部分新產生的鋰會以恆星峯的形式從恆星中被帶走。 天文學家可以通過研究這一現象來了解恆星爲星系提供了多少鋰, 從而最終分析出它們是如何將鋰帶到了像地球這樣的行星之上的。 鋰元素,從宇宙誕生之初到地球上的白色石油。 你的手機,電腦,甚至汽車裏都有這個排在元素週期表第三位的叫做鋰的金屬。 它是宇宙中最早形成的元素之一,在大爆炸後的幾分鐘內由氫原子聚變而成的。 雖然它在大爆炸中合成,但鋰在宇宙中的含量明顯低於其他低原子序元素。 雖然大爆炸合合成產生的鋰量取決於每粒種子的光子數, 但有可接受的值,所以可以計算鋰風度, 而且宇宙中存在宇宙學上的鋰差異,即老恆星的鋰含量似乎比應有的少, 而一些年輕的恆星則有更多。 老恆星中缺鋰顯然是由於鋰混合到恆星內部並被破壞,而鋰則在年輕恆星中產生。 雖然鋰在高於攝氏240萬度時會因和質子碰撞而轉變爲兩粒氦原子, 但鋰含量仍比目前計算預測出在後代恆星中的要多。 天文學在宗矮星和某些異常的橙色恆星中也發現了鋰。 鋰存在於較冷、質量較小的宗矮星中,但在較熱的紅矮星中被破壞。 它在恆星光譜中的存在可用於鋰實驗, 以區分皆比太陽小的宗矮星及紅矮星。 某些橙色恆星也可能含有高濃度的鋰。 那些有高於平均鋰濃度的橙色恆星繞着大質量的物體轉, 它們的重力明顯將較重的鋰吸引到氫氦星的表面, 導致我們觀測到更多的鋰。 2015年2月19日,日本國立天文臺研究團隊從觀察2013年海豚座新星發現, 新星爆炸製成了大量鋰元素, 這意味着經典新星爆炸可能是宇宙製造鋰元素的主要機制。 雖然鋰在大爆炸初期就形成了, 但是鋰卻是地球上最稀有的元素之一, 它的含量只佔地殼的0.0007%。 鋰是一種銀白色的柔軟金屬, 它是密度最小的金屬元素, 也是化學性質最活潑的金屬元素之一。 鋰在電池、玻璃、陶瓷、潤滑劑、原子能、航空航天等領域都有廣泛的用途, 被稱爲白色石油。 鋰元素是在1817年被瑞典化學家約翰·阿爾·菲德森從一種叫作液石的岩石中發現並命名的。 他用礦物學的方法分析了液石的成分, 發現了一種新的鹼金屬, 但是他並未成功地制去金屬鋰。 直到1855年, 英國化學家威廉、托馬斯、布蘭登和愛爾蘭化學家羅伯特、布朗、凱恩 才通過電解氫氧化鋰的方法, 首次得到了金屬鋰。 他們將鋰的原子量測定爲7, 並將鋰的化學符號定爲鋰。 鋰的英文名Lithium來源於希臘語言時, 而之前發現的那和鉀兩種鹼金屬是從植物中提取出來的。 這是因爲鋰在自然界中很難以單制的形式存在, 它總是和其他元素結合在一起, 形成各種化合物。 鋰是一種扔到火裏會出現濃烈的深紅色火焰的金屬, 這也是它被發現的一個重要線索。 鋰的火焰可以用來檢測鋰的存在, 也可以用來製作煙花和信號彈。 鋰在自然界中主要以化合物的形式存在, 常見的有鋰灰石、鋰雲母、鋰電氣石和鋰鈴鋁石等礦物, 以及鹽湖滷水中的鋰鹽。 鋰的分佈不均勻, 主要集中在南美洲的智利、阿根廷和玻利維亞等國, 以及中國的青海、西藏等地。 這些地方有着豐富的鹽湖資源, 是鋰的主要產地。 從鹽湖滷水中提取鋰的方法是通過太陽能蒸發滷水, 石鋰濃度增加, 然後用碳酸鈉或碳酸氫鈉沉澱出碳酸鋰, 再經過精緻和電解,得到金屬鋰。 這個過程需要大量的水資源和時間, 這對當地的生態環境和社會經濟有一定的影響。 爲了減少水的消耗和提高鋰的回收率, 一些新的技術正在研發中, 例如用納米氯膜、鋰子交換樹枝、溶劑萃取等方法來分離和復集鋰。 在1912年, 當時有一個叫劉易斯的化學家, 他想用鋰作爲電池的復集, 因爲鋰是最輕的金屬, 也是最活潑的金屬, 它可以釋放出很多的電子, 給電池提供很高的電壓。 但劉易斯沒有成功地製造出鋰電池, 他只是把鋰放在一個玻璃瓶裏, 和一些其他的東西一起, 但是沒有什麼反應發生。 一直到了1970年, 化學家惠廷厄姆在埃克森的公司工作, 他發明了第一個鋰電池的原型, 他使用硫化鈦作爲正極, 金屬鋰作爲負極, 能夠產生2.5伏的電壓。 但惠廷厄姆的鋰電池有一個很大的問題, 就是它不穩定, 它很容易發生短路, 甚至爆炸。 1976年, 牛津大學古登大教授改進了惠廷厄姆的設計, 將正極材料換成了錳堅晶石, 提高了電池的電壓和穩定性, 達到了4伏的水平。 隨後, 針對鋰電池的研究似乎又陷入了瓶頸。 直到1980年, 日本化學家吉野璋在續化城公司工作時, 發明了第一個鋰離子電池的原型, 它使用骨酸鋰作爲正極, 石墨作爲負極, 能夠實現可充電和可循環的特性。 但是受限於當時的技術水平和製造成本, 這項技術仍然沒有實現工業化和商業化。 一晃時間來到了1991年, 歷史的車輪滾動到了索尼公司門口, 他們的材料科學家終於將吉野的發明商業化, 推出了世界上第一款鋰離子電池產品, 用於便攜式電子設備, 如攝像機和筆記本電腦。 電池的技術革命即將爆發。 1996年,古登納教授再次一鳴驚人, 提出了磷酸鐵鋰作爲正極材料的方案, 它具有更高的安全性和更長的壽命, 這十分適合用於大型儲能和電動汽車領域。 至此,我們正式進入了鋰電池的時代的大門。 2019年,古登納,惠廷厄姆和吉野三位科學家 因爲對鋰離子電池的開發和貢獻, 共同獲得了諾貝爾化學獎。 或許,我們早已習慣把鋰當作白色石油, 堪稱地球上必爭的資源。 但抬頭望向太陽, 你會發現一個更宏大的真相正在浮現, 鋰的故事從來不是從礦山開始, 而是從恆星的心臟, 從宇宙的深處開始書寫。 太陽真的會製造鋰嗎? 它背後的物理機制是什麼? 爲什麼原本幾乎不含鋰的太陽, 如今卻被懷疑正在煉鋰? 這些問題,我們仍沒有完全的答案。 但正是這種不確定, 推動科學不斷前進。 它告訴我們,即便是最熟悉的恆星, 也仍然在隱藏未知的章節。 而所謂鋰的宇宙起源, 也許還遠遠沒有寫完。 當我們試圖追溯這種輕盈金屬的誕生, 我們其實也是在追問一個更深的命題, 宇宙是如何創造元素, 又如何在無盡的演化中, 讓萬物終將成爲今天的模樣。 答案仍在路上, 而這正是探索宇宙最迷人的地方。