Kosmologiczny problem litu
W astronomii problem litu lub rozbieżność litu odnosi się do rozbieżności między pierwotną obfitością litu , wywnioskowaną z obserwacji ubogich w metale ( populacji II ) gwiazd halo w naszej galaktyce, a ilością, która teoretycznie powinna istnieć z powodu nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu + WMAP przewidywania kosmicznej gęstości barionowej CMB . Mianowicie, najszerzej akceptowane modele Wielkiego Wybuchu sugerują, że powinno istnieć trzy razy więcej pierwotnego litu, w szczególności litu-7 . Kontrastuje to z obserwowaną obfitością izotopów wodoru ( 1 H i 2 H ) i helu ( 3 He i 4 He ), które są zgodne z przewidywaniami. Rozbieżność jest uwypuklona na tak zwanym „wykresie Schramma”, nazwanym na cześć astrofizyka Davida Schramma , który przedstawia te pierwotne obfitości jako funkcję kosmicznej zawartości barionów ze standardowych prognoz BBN .
Pochodzenie litu
Kilka minut po Wielkim Wybuchu wszechświat składał się prawie wyłącznie z wodoru i helu, ze śladowymi ilościami litu i berylu oraz pomijalnie małymi ilościami wszystkich cięższych pierwiastków.
Synteza litu w Wielkim Wybuchu
Nukleosynteza Wielkiego Wybuchu wytworzyła zarówno lit-7, jak i beryl-7, i rzeczywiście ten ostatni dominuje w pierwotnej syntezie nuklidów o masie 7. Z drugiej strony Wielki Wybuch wyprodukował lit-6 na poziomach ponad 1000 razy mniejszych.
7 4 Be
później rozpada się poprzez wychwytywanie elektronów ( okres półtrwania 53,22 dni) do
7 3 Li
, tak że obserwowalna obfitość pierwotnego litu zasadniczo sumuje pierwotny
7 3 Li
i radiogeniczny lit z rozpadu
7 4 Be
.
Izotopy te powstają w wyniku reakcji
i zniszczone przez
Ilość litu wytworzonego w Wielkim Wybuchu można obliczyć. Wodór-1 jest najobficiej występującym nuklidem , zawierającym około 92% atomów we Wszechświecie, z helem-4 drugim na poziomie 8%. Inne izotopy, w tym 2 H, 3 H, 3 He, 6 Li, 7 Li i 7 Be, są znacznie rzadsze; szacowana obfitość pierwotnego litu wynosi 10–10 w stosunku do wodoru. Obliczona obfitość i stosunek 1H i 4He jest zgodny z danymi z obserwacji młodych gwiazd.
Oddział PP II
W gwiazdach lit-7 powstaje w reakcji łańcuchowej proton-proton .
3 2 On
+
4 2 On
→
7 4 Bądź
+
γ
7 4 Bądź
+
e- _
→
7 3 Li- _
+
ν
e+ 0,861 MeV / 0,383 MeV
7 3 Li
+
1 1 H
→ 2
4 2 On
Gałąź PP II dominuje w temperaturach od 14 do 23 MK .
Obserwowana obfitość litu
Pomimo niskiej teoretycznej obfitości litu, rzeczywista obserwowalna ilość jest mniejsza niż obliczona ilość o współczynnik 3–4. Kontrastuje to z obserwowaną obfitością izotopów wodoru ( 1 H i 2 H ) i helu ( 3 He i 4 He ), które są zgodne z przewidywaniami.
Starsze gwiazdy wydają się mieć mniej litu niż powinny, a niektóre młodsze gwiazdy mają go znacznie więcej. Jednym z proponowanych modeli jest to, że lit wytwarzany podczas młodości gwiazdy tonie pod jej atmosferą (gdzie nie można go bezpośrednio obserwować) z powodu efektów, które autorzy opisują jako „turbulentne mieszanie” i „dyfuzję”, które, jak sugeruje się, zwiększają się lub gromadzą w miarę wieku gwiazd. Obserwacje spektroskopowe gwiazd w NGC 6397 , ubogiej w metal gromadzie kulistej, są zgodne z odwrotną zależnością między obfitością litu a wiekiem, ale teoretyczny mechanizm dyfuzji nie został sformalizowany. Choć przekształca się w dwa atomy helu w wyniku zderzenia z protonem w temperaturach powyżej 2,4 miliona stopni Celsjusza (większość gwiazd z łatwością osiąga tę temperaturę w swoich wnętrzach), lit jest bardziej obfity niż obecne obliczenia przewidywałyby w gwiazdach późniejszej generacji.
Lit znajduje się również w obiektach podgwiazdowych brązowych karłów i niektórych anomalnych pomarańczowych gwiazdach. Ponieważ lit jest obecny w chłodniejszych, mniej masywnych brązowych karłach, ale jest niszczony w gorętszych czerwonych karłach, jego obecność w widmach gwiazd może być wykorzystana w „teście litowym” do rozróżnienia tych dwóch, ponieważ oba są mniejsze od Słońca.
Mniej litu w gwiazdach podobnych do Słońca z planetami
Gwiazdy podobne do Słońca bez planet mają 10 razy więcej litu niż gwiazdy podobne do Słońca z planetami w próbce 500 gwiazd. Warstwy powierzchniowe Słońca zawierają mniej niż 1% litu z pierwotnych obłoków gazu protosłonecznego, mimo że powierzchnia konwekcyjna nie jest wystarczająco gorąca, aby spalić lit. Podejrzewa się, że przyciąganie grawitacyjne planet może zwiększać wzburzenie powierzchni gwiazdy, kierując lit do gorętszych jąder, w których zachodzi spalanie litu . Brak litu może być również sposobem na znalezienie nowych układów planetarnych. Jednak ten rzekomy związek stał się punktem spornym w społeczności astrofizyków planetarnych, często jest odrzucany, ale także wspierany.
Wyższe niż oczekiwano litu w gwiazdach ubogich w metale
Niektóre pomarańczowe gwiazdy mogą również zawierać wysokie stężenie litu. Te pomarańczowe gwiazdy mają wyższe niż zwykle stężenie litu krążącego wokół masywnych obiektów – gwiazd neutronowych lub czarnych dziur – których grawitacja ewidentnie przyciąga cięższy lit na powierzchnię gwiazdy wodorowo-helowej, powodując obserwowanie większej ilości litu.
Proponowane rozwiązania
Możliwe rozwiązania dzielą się na trzy szerokie klasy.
Rozwiązania astrofizyczne
Biorąc pod uwagę możliwość, że prognozy BBN są rozsądne, zmierzona wartość pierwotnej obfitości litu powinna być błędna, a rozwiązania astrofizyczne oferują jej rewizję. Na przykład błędy systematyczne, w tym korekcja jonizacji i niedokładne określanie temperatur gwiazd, mogą wpływać na stosunek Li/H w gwiazdach. Co więcej, dalsze obserwacje dotyczące wyczerpywania się litu pozostają ważne, ponieważ obecne poziomy litu mogą nie odzwierciedlać początkowej obfitości w gwieździe. Podsumowując, dokładne pomiary pierwotnej obfitości litu są obecnie przedmiotem postępu i możliwe, że ostateczna odpowiedź nie leży w rozwiązaniach astrofizycznych.
Niektórzy astronomowie sugerują, że prędkości nukleonów nie są zgodne z rozkładem Maxwella-Boltzmanna. Testują ramy nierozległych statystyk Tsallisa. Ich wynik sugeruje, że 1,069
Rozwiązania fizyki jądrowej
Kiedy weźmie się pod uwagę możliwość, że zmierzona obfitość pierwotnego litu jest poprawna i oparta na Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych i standardowej kosmologii, problem litu implikuje błędy w przewidywaniach pierwiastków świetlnych BBN. Chociaż standardowy BBN opiera się na dobrze określonej fizyce, słabe i silne interakcje są skomplikowane dla BBN i dlatego mogą być słabym punktem w standardowych obliczeniach BBN.
Po pierwsze, nieprawidłowe lub brakujące reakcje mogą powodować problemy z litem. Jeśli chodzi o nieprawidłowe reakcje, główne myśli dotyczą korekty przekroju poprzecznego i standardowych szybkości termojądrowych zgodnie z ostatnimi badaniami.
Po drugie, począwszy od odkrycia przez Freda Hoyle'a rezonansu w węglu-12 , ważnym czynniku w procesie potrójnej alfa , reakcje rezonansowe, z których część mogła uniknąć eksperymentalnego wykrycia lub których efekty zostały niedoszacowane, stają się możliwymi rozwiązaniami problemu problem z litem.
Rozwiązania wykraczające poza Model Standardowy
Przy założeniach wszystkich poprawnych obliczeń mogą być potrzebne rozwiązania wykraczające poza istniejący Model Standardowy lub standardową kosmologię.
Rozpad ciemnej materii i supersymetria zapewniają jedną możliwość, w której scenariusze rozpadu ciemnej materii wprowadzają bogaty wachlarz nowych procesów, które mogą zmieniać lekkie pierwiastki podczas i po BBN, i znaleźć dobrze umotywowane pochodzenie w supersymetrycznych kosmologiach. Dzięki w pełni działającemu Wielkiemu Zderzaczowi Hadronów (LHC) wiele z minimalnych supersymetrii jest w zasięgu ręki, co zrewolucjonizowałoby fizykę cząstek elementarnych i kosmologię, gdyby zostało odkryte; jednak wyniki eksperymentu ATLAS w 2020 roku wykluczyły wiele modeli supersymetrycznych.
Zmiana podstawowych stałych może być jednym z możliwych rozwiązań, a to implikuje, że po pierwsze, przejścia atomowe w metalach znajdujących się w obszarach o wysokim przesunięciu ku czerwieni mogą zachowywać się inaczej niż nasze. Ponadto sprzężenia Modelu Standardowego i masy cząstek mogą się różnić; po trzecie, potrzebne są zmiany parametrów fizyki jądrowej.
Niestandardowe kosmologie wskazują na zmienność stosunku barionów do fotonów w różnych regionach. Jedna propozycja wynika z wielkoskalowych niejednorodności gęstości kosmicznej, różniących się od jednorodności określonej w zasadzie kosmologicznej . Jednak ta możliwość wymaga dużej liczby obserwacji, aby ją przetestować.