Космологическая проблема лития - Cosmological lithium problem
В астрономии , то проблема литии или литиевое несоответствие относится к несоответствию между изначальным изобилием из лития , как вывод из наблюдений металлорежущих бедных ( население II ) звезд гало нашей Галактики и количества , которое теоретически должно существовать из - за Большой взрыв Нуклеосинтеза + WMAP предсказания плотности космических барионов реликтового излучения . А именно, наиболее широко распространенные модели Большого взрыва предполагают, что должно существовать в три раза больше первичного лития, в частности лития-7 . Это контрастирует с наблюдаемым содержанием изотоповводород ( 1 H и 2 H ) и гелий ( 3 He и 4 He ), которые согласуются с предсказаниями. Несоответствие подчеркивается в так называемом «сюжете Шрамма», названном в честь астрофизика Дэвида Шрамма , который изображает эти изначальные содержания как функцию содержания космических барионов из стандартных предсказаний BBN .
Происхождение лития
Через несколько минут после Большого взрыва Вселенная почти полностью состояла из водорода и гелия с незначительными количествами лития и бериллия и пренебрежимо малыми содержаниями всех более тяжелых элементов.
Синтез лития в условиях Большого взрыва
Нуклеосинтез Большого взрыва произвел как литий-7, так и бериллий-7, и действительно последний доминирует в первичном синтезе нуклидов массы 7. С другой стороны, Большой взрыв произвел литий-6 на уровнях, более чем в 1000 раз меньших.
7
4Быть
позже распался в результате захвата электрона ( период полураспада 53,22 дня) на7
3Ли
, так что наблюдаемое первичное содержание лития по существу суммирует первичный 7
3Ли
и радиогенный литий от распада7
4Быть
.
Эти изотопы образуются в результате реакций
и уничтожен
Количество лития, образовавшегося в результате Большого взрыва, можно подсчитать. Водород-1 - самый распространенный нуклид , составляющий примерно 92% атомов во Вселенной, с гелием-4 вторым на 8%. Другие изотопы, включая 2 H, 3 H, 3 He, 6 Li, 7 Li и 7 Be, встречаются гораздо реже; предполагаемое содержание первичного лития составляет 10 -10 по отношению к водороду. Расчетное содержание и соотношение 1 H и 4 He согласуется с данными наблюдений молодых звезд.
Филиал PP II
В звездах литий-7 образуется в протон-протонной цепной реакции .
3
2Он
+ 4
2Он
→ 7
4Быть
+
γ
7
4Быть
+
е-
→ 7
3Ли-
+
ν
е+ 0,861 МэВ / 0,383 МэВ 7
3Ли
+ 1
1ЧАС
→ 2 4
2Он
Ветвь PP II доминирует при температурах от 14 до 23 МК .
Наблюдаемое изобилие лития
Несмотря на низкое теоретическое содержание лития, реально наблюдаемое количество меньше расчетного в 3–4 раза. Это контрастирует с наблюдаемым содержанием изотопов водорода ( 1 H и 2 H ) и гелия ( 3 He и 4 He ), которые согласуются с предсказаниями.
Кажется, что более старые звезды содержат меньше лития, чем должны, а некоторые более молодые - гораздо больше. Недостаток лития в старых звездах, по-видимому, вызван «подмешиванием» лития внутрь звезд, где он разрушается, в то время как литий образуется в более молодых звездах. Хотя он превращается в два атома гелия из-за столкновения с протоном при температуре выше 2,4 миллиона градусов по Цельсию (большинство звезд легко достигают этой температуры в своих недрах), лития более распространено, чем предсказывают современные вычисления, в звездах более позднего поколения.
Литий также содержится в коричневых карликовых субзвездных объектах и некоторых аномальных оранжевых звездах. Поскольку литий присутствует в более холодных и менее массивных коричневых карликах, но разрушается в более горячих красных карликах, его присутствие в спектрах звезд можно использовать в «литиевом тесте», чтобы различить эти два карлика , поскольку оба они меньше Солнца.
Меньше лития в звездах типа Солнца с планетами
Звезды, подобные Солнцу, без планет, содержат в 10 раз больше лития, чем звезды, подобные Солнцу, с планетами в выборке из 500 звезд. Поверхностные слои Солнца содержат менее 1% лития протосолнечных газовых облаков первоначального образования, несмотря на то, что поверхностная конвективная зона не достаточно горячая, чтобы сжигать литий. Предполагается, что гравитационное притяжение планет может усилить вспенивание поверхности звезды, направляя литий в более горячие ядра, где происходит горение лития . Отсутствие лития также могло быть способом открытия новых планетных систем. Однако эта заявленная связь стала предметом спора в сообществе планетарной астрофизики, часто отрицаемая, но также поддерживаемая.
Содержание лития в звездах с низким содержанием металлов выше ожидаемого
Некоторые оранжевые звезды также могут содержать высокую концентрацию лития. Эти оранжевые звезды, как было обнаружено, имеют более высокую, чем обычно, концентрацию литиевых массивных объектов на орбите - нейтронных звезд или черных дыр - чья гравитация, очевидно, притягивает более тяжелый литий к поверхности водородно-гелиевой звезды, вызывая наблюдение большего количества лития.
Предлагаемые решения
Возможные решения делятся на три широких класса.
Астрофизические решения
Учитывая возможность того, что предсказания BBN верны, измеренное значение первичного содержания лития должно быть ошибочным, и астрофизические решения предлагают его пересмотреть. Например, систематические ошибки, включая поправку на ионизацию и неточное определение звездной температуры, могут повлиять на отношения Li / H в звездах. Кроме того, большое количество наблюдений за истощением лития остается важным, поскольку нынешние уровни лития могут не отражать первоначальное содержание лития в звезде. Таким образом, точные измерения первичного содержания лития - это текущая цель прогресса, и вполне возможно, что окончательный ответ лежит не в астрофизических решениях.
Решения для ядерной физики
Если принять во внимание возможность того, что измеренное содержание первичного лития является правильным и основано на Стандартной модели физики элементарных частиц и стандартной космологии, проблема лития подразумевает ошибки в предсказаниях легких элементов BBN. Хотя стандартный BBN опирается на четко определенную физику, слабые и сильные взаимодействия усложняются для BBN и, следовательно, могут быть слабым местом в стандартных расчетах BBN.
Во-первых, неправильные или отсутствующие реакции могут вызвать проблему с литием. Что касается неправильных реакций, основные мысли заключаются в пересмотре ошибок поперечного сечения и стандартных термоядерных скоростей согласно недавним исследованиям.
Во-вторых, начиная с открытия Фредом Хойлом резонанса в углероде-12 , важном факторе тройного альфа-процесса , резонансные реакции, некоторые из которых могли ускользнуть от экспериментального обнаружения или чьи эффекты были недооценены, стали возможными решениями проблемы. литиевая проблема.
Решения, выходящие за рамки стандартной модели
При условии правильного расчета могут потребоваться решения, выходящие за рамки существующей Стандартной модели или стандартной космологии.
Распад темной материи и суперсимметрия предоставляют одну возможность, в которой сценарии распада темной материи вводят богатый набор новых процессов, которые могут изменять световые элементы во время и после BBN, и находят хорошо мотивированное происхождение в суперсимметричных космологиях. С полностью работающим Большим адронным коллайдером (БАК) большая часть минимальной суперсимметрии находится в пределах досягаемости, что в случае обнаружения произвело бы революцию в физике элементарных частиц и космологии.
Изменение фундаментальных констант может быть одним из возможных решений, и это означает, что, во-первых, атомные переходы в металлах, находящихся в областях с большим красным смещением, могут вести себя не так, как мы. Кроме того, связи Стандартной модели и массы частиц могут отличаться; в-третьих, необходимо варьировать параметры ядерной физики.
Нестандартные космологии указывают на изменение отношения барионов к фотонам в разных областях. Одно предложение является результатом крупномасштабных неоднородностей космической плотности, отличных от однородности, определенной в космологическом принципе . Однако эта возможность требует большого количества наблюдений, чтобы проверить ее.
В популярной культуре
Сообщается, что американский музыкант LiTHiUM THiEF выбрал свое название в качестве шутки для решения космологической проблемы лития, представив себе криптид, который украл литий-7 из молодой вселенной.