Проблема первинного літію

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Діаграма Шрамма[1], що зображує первісну кількість 4He, D, 3He та 7Li як функцію вмісту баріонів у Всесвіті за стандартними прогнозами первинного нуклеосинтезу. Широкі лінії різних кольорів показують межі похибок теоретичних моделей, жовті прямокутники - спостережні дані, заштрихована вертикальна смуга - кількість баріонів, виміряну з реліктового випромінювання. Проблема первинного літію полягає в тому, що нижній ховтий прямокутник лежить у 3-4 рази нижче, ніж перетин зеленої смуги із заштризованою областю.
Стабільні нукліди перших елементів
Протон-протоний ланцюжок pp II

Проблема первинного літію — розбіжність між первісною поширеністю літію, яка випливає зі спостережень бідних металами зір в гало в нашої галактики (зоряне населення II), і кількістю, яка теоретично мала утворитись через первинний нуклеосинтез під час Великого вибуху. Стандартна космологічна модель припускає, що має існувати втричі більше первісного літію, зокрема літію-7, ніж спостерігається. Це контрастує зі спостережуваною кількістю ізотопів водню (1H і 2H) і гелію (3He і 4He), які добре узгоджуються з теорією[2]. Розбіжність часто ілюструють на так званій «діаграмі Шрамма», названій на честь астрофізика Девіда Шрамма, яка зображує первинну кількість ізотопів як функцію вмісту баріонів у Всесвіті зі стандартних прогнозів первинного нуклеосинтезу.

Походження літію[ред. | ред. код]

За кілька хвилин після Великого вибуху Всесвіт майже повністю складався з водню і гелію, невеликої кількості літію і берилію та незначної кількісті всіх важчих елементів[3].

Синтез літію під час Великого вибуху[ред. | ред. код]

Первинний нуклеосинтез утворив як літій-7, так і берилій-7, причому останній домінував в первинному синтезі нуклідів маси 7. Кількість літію-6 під час Великого вибуху була меншою у понад 1000 разів. 7Be пізніше розпався через електронне захоплення (період напіврозпаду 53,22 дні) на 7Li, так що спостережувана первинна поширеність літію є сумою первинного 7Li і радіогенного літію від розпаду 7Be.

Ізотопи 7Li і 7Be утворювалися в результаті реакцій

3H + 4He → 7Li + γ,

3He + 4He → 7Be + γ,

а знищувались в реакціях

7Be + n → 7Li + p,

7Li + p → 4He + 4He.

Кількість літію, утвореного під час Великого вибуху, можна розрахувати теоретично[4]. Водень-1 є найпоширенішим нуклідом, на який припадає приблизно 92 % атомів у Всесвіті, а на гелій-4 — 8 %. Інші ізотопи, включаючи 2H, 3H, 3He, 6Li, 7Li і 7Be, зустрічаються набагато рідше, і передбачувана кількість первісного літію становить 10−10 відносно водню[5].

Протон-протонний ланцюжок[ред. | ред. код]

У зорях літій-7 утворюється в результаті відгалуження pp II протон-протонного ланцюжка реакцій:

3He + 4He → 7Be + γ,

7Be + e− → 7Li + νe,

7Li + 1H → 2 4He.

Відгалуження pp II домінує при температурах від 14 до 23 млн. К.

Спостережувана поширеність літію[ред. | ред. код]

Хоч теоретична поширеність літію є дуже низькою, фактична спостережувана поширеність ще в 3-4 рази менша за теоретичну[6]. Це контрастує зі спостережуваною поширеністю ізотопів водню (1H і 2H) і гелію (3He і 4He), які добре узгоджуються з теорією[2].

Поширеність хімічних елементів у Сонячній системі. Найпоширеніші водень і гелій утворилися одразу після Великого вибуху[7]. Li, Be і B зустрічаються рідко, тому що вони погано синтезуються і під час Великого вибуху, і в зорях. Основним джерелом цих елементів є сколювання космічними променями.

Старі зорі мають менше літію, ніж повинні, а деякі молодші зорі мають набагато більше[8]. Одна запропонована модель полягає в тому, що літій, який утворюється на ранніх стадіях еволюції зорі, занурюється в атмосферу зорі (де він закритий від прямого спостереження) через ефекти, які автори описують як «турбулентне змішування» та «дифузія», які, як припускають, збільшуються або накопичуються в міру того, як зоряні віки[9]. Спектроскопічні спостереження зір у NGC 6397, кулястому скупченні з низькою металічністю, узгоджуються з оберненою залежністю між вмістом літію та віком, але теоретичний механізм дифузії не був формалізований[10]. Хоча він перетворюється на два атоми гелію внаслідок зіткнення з протоном при температурах вище 2,4 мільйона градусів за Цельсієм (більшість зір легко досягають такої температури у своїх внутрішніх приміщеннях), літій у зорях наступного покоління є більш поширеним, ніж передбачають поточні розрахунки[11][12].

Літій також міститься в коричневих карликових субзоряних об'єктах і деяких аномальних помаранчевих зорях. Оскільки літій присутній у більш холодних, менш масивних коричневих карликах, але руйнується в більш гарячих червоних карликах, його присутність у спектрах зір можна використовувати в «літієвому тесті», щоб відрізнити їх, оскільки обидва менші за Сонце[11][12][13].

Запропоновані розв'язки[ред. | ред. код]

Можливі розв'язки поділяються на три великі класи.

Астрофізичні розв'язки[ред. | ред. код]

Цей клас розв'язків припускає, що модель первинного нуклеосинтезу правильна, а помилка криється у вимірюванні первісної кількості літію зі спостережень зоряних атмосфер.

Наприклад, на виміряне співвідношення Li/H у зорях може впливати недостатньо точне моделювання зоряних атмосфер за спектроскопічними даними. Спостереженням доступна лише спектральна лінія нейтрального літію Li0, натомість як більша частина літію в атмосферах досліджуваних зір знаходиться в йонізованому стані Li+. Тому розрахунок кількості літію зі спостережень вимагає визначення так званої йонізаційної поправки Li+/Li0, яка сильно залежить від температури. Зорі випромінюють не як абсолютно чорне тіло, і визначення їхніх температур є нетривіальним. Однак для розв'язання проблеми літію температури зір треба було б збільшити на 500—600 К, що, ймовірно, перевищує межі похибок існуючих моделей[6].

Крім того, теперішня кількість літію може не відображати його початкову кількість в зорі. Зокрема, атмосферний літій може руйнуватись в термоядерних реакціях, якщо на первних етапах еволюції зорі він потрапляє достатньо глибоко н надра. Це перемішування літію в бідних металами зорях може суттєво відрізнятись від зір сонячної металічності. Як складові частини такого перемішування розглядають конвекцію, турбулентність, гравітаційне осідання, дифузію, гідродинамічні гравітаційні хвилі, однак моделі досі нездатні пояснити всі спостережні дані і розв'язати проблему первинного літію[6].

Ядерно-фізичні розв'язки[ред. | ред. код]

Цей клас розв'язків припускає правильність спостережних вимірювань розповсюдженості літію та шукає помилку в передбаченнях його кількості в моделях первинного нуклеосинтезу, залишаючись, однак в межах стандартної моделі фізики елементарних частинок і стандартної космологічної моделі. Хоча модель первинного нуклеосинтезу базується на добре дослідженій фізиці, слабкі та сильні взаємодії є складними для BBN і, отже, можуть бути слабким місцем стандартного розрахунку BBN[6].

По-перше, проблему можуть спричинити невраховані ядерні реакції або реакції з неправильно виміряним перерізом[14][15].

По-друге, аналогічно до відкриття Фредом Гойлом резонансу вуглецю-12, важливого фактора в потрійному альфа-процесі, важливу роль в первинному нуклеосинтезі могли відінрати резонанси, деякі з яких могли уникнути експериментального виявлення або вплив яких був недооцінений[16][17].

Однак, попри всі перевірки, здається, що розрахунки первинного нуклеосинтезу літію правильні[18].

Розв'язки поза стандартною моделлю[ред. | ред. код]

Цей клас розв'язків виходить за межі стандартної моделі фізики елементарних частинок або стандартної космологічної моделі[6].

Розпад темної матерії та суперсиметрія дають багатий набір нових процесів, які можуть змінювати легкі елементи під час і після первинного нуклеосинтезу. Однак багато запропонованих суперсиметричних моделей було виключено експериментами на Великому адронному коллайдеру[19][20].

Одним із можливих рішень може бути змінність з часом фундаментальних констант, зокрема, зміна мас частинок або констант взаємодії під час первинного нуклеосинтезу[6].

Нестандартні космологічні моделі вказують на зміну співвідношення баріонів і фотонів у різних регіонах, і ця неоднорідність, що порушує космологічний принцип, також могла б зменшити неузгодженість між паредбаченою і виміряною кількістю літію[21].

Примітки[ред. | ред. код]

  1. ↑ Tanabashi, M.; Hagiwara, K.; Hikasa, K.; Nakamura, K.; Sumino, Y. та ін. (17 серпня 2018). Review of Particle Physics. Physical Review D. American Physical Society (APS). 98 (3): 030001. Bibcode:2018PhRvD..98c0001T. doi:10.1103/physrevd.98.030001. ISSN 2470-0010. and 2019 update.
  2. ↑ а б Hou, S. Q.; He, J.J.; Parikh, A.; Kahl, D.; Bertulani, C.A.; Kajino, T.; Mathews, G.J.; Zhao, G. (2017). Non-extensive statistics to the cosmological lithium problem. The Astrophysical Journal. 834 (2): 165. arXiv:1701.04149. Bibcode:2017ApJ...834..165H. doi:10.3847/1538-4357/834/2/165.
  3. ↑ Langmuir, C. H.; Broecker, W. S. (2012). How to Build a Habitable Planet: The Story of Earth from the Big Bang to Humankind. Princeton University Press. ISBN 978-0691140063.
  4. ↑ Boesgaard, A. M.; Steigman, G. (1985). Big bang nucleosynthesis – Theories and observations. Annual Review of Astronomy and Astrophysics. Palo Alto, CA. 23: 319—378. Bibcode:1985ARA&A..23..319B. doi:10.1146/annurev.aa.23.090185.001535. A86-14507 04–90.
  5. ↑ Tanabashi, M. та ін. (2018). Big-bang nucleosynthesis. У Fields (ред.). The Review (PDF). Т. 98. с. 377—382. Bibcode:2018PhRvD..98c0001T. doi:10.1103/PhysRevD.98.030001. {{cite book}}: Проігноровано |journal= (довідка)
  6. ↑ а б в г д е Fields, B. D. (2011). The primordial lithium problem. Annual Review of Nuclear and Particle Science. 61 (1): 47—68. arXiv:1203.3551. Bibcode:2011ARNPS..61...47F. doi:10.1146/annurev-nucl-102010-130445.
  7. ↑ Stiavelli, M. (2009). From First Light to Reionization the End of the Dark Ages. Weinheim, Germany: Wiley-VCH. с. 8. Bibcode:2009fflr.book.....S. ISBN 9783527627370.
  8. ↑ Woo, M. (21 лютого 2017). The Cosmic Explosions That Made the Universe. earth. BBC. Архів оригіналу за 21 February 2017. Процитовано 21 лютого 2017. A mysterious cosmic factory is producing lithium. Scientists are now getting closer at finding out where it comes from
  9. ↑ Richard, O.; Michaud, G.; Richer, J. (20 січня 2005). Implications of WMAP Observations on Li Abundance and Stellar Evolution Models. The Astrophysical Journal (англ.). 619 (1): 538—548. arXiv:astro-ph/0409672. Bibcode:2005ApJ...619..538R. doi:10.1086/426470. ISSN 0004-637X.
  10. ↑ Korn, A. J.; Grundahl, F.; Richard, O.; Barklem, P. S.; Mashonkina, L.; Collet, R.; Piskunov, N.; Gustafsson, B. (August 2006). A probable stellar solution to the cosmological lithium discrepancy. Nature (англ.). 442 (7103): 657—659. arXiv:astro-ph/0608201. Bibcode:2006Natur.442..657K. doi:10.1038/nature05011. ISSN 1476-4687. PMID 16900193.
  11. ↑ а б Emsley, J. (2001). Nature's Building Blocks. Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850341-5.
  12. ↑ а б Cain, Fraser. Brown Dwarf. Universe Today. Архів оригіналу за 25 February 2011. Процитовано 17 листопада 2009.
  13. ↑ Reid, N. (10 березня 2002). L Dwarf Classification. Архів оригіналу за 21 May 2013. Процитовано 6 березня 2013.
  14. ↑ Angulo, C.; Casarejos, E.; Couder, M.; Demaret, P.; Leleux, P.; Vanderbist, F.; Coc, A.; Kiener, J.; Tatischeff, V. (September 2005). The 7Be(d,p)2α Cross Section at Big Bang Energies and the Primordial 7Li Abundance. Astrophysical Journal Letters (англ.). 630 (2): L105—L108. arXiv:astro-ph/0508454. Bibcode:2005ApJ...630L.105A. doi:10.1086/491732. ISSN 0004-637X.
  15. ↑ Boyd, Richard N.; Brune, Carl R.; Fuller, George M.; Smith, Christel J. (November 2010). New nuclear physics for big bang nucleosynthesis. Physical Review D (англ.). 82 (10): 105005. arXiv:1008.0848. Bibcode:2010PhRvD..82j5005B. doi:10.1103/PhysRevD.82.105005. ISSN 1550-7998.
  16. ↑ Hammache, F.; Coc, A.; de Séréville, N.; Stefan, I.; Roussel, P.; Ancelin, S.; Assié, M.; Audouin, L.; Beaumel, D. (December 2013). Search for new resonant states in 10C and 11C and their impact on the cosmological lithium problem. Physical Review C (англ.). 88 (6): 062802. arXiv:1312.0894. Bibcode:2013PhRvC..88f2802H. doi:10.1103/PhysRevC.88.062802. ISSN 0556-2813.
  17. ↑ O'Malley, P. D.; Bardayan, D. W.; Adekola, A. S.; Ahn, S.; Chae, K. Y.; Cizewski, J. A.; Graves, S.; Howard, M. E.; Jones, K. L. (October 2011). Search for a resonant enhancement of the 7Be + d reaction and primordial 7Li abundances. Physical Review C (англ.). 84 (4): 042801. Bibcode:2011PhRvC..84d2801O. doi:10.1103/PhysRevC.84.042801. ISSN 0556-2813.
  18. ↑ Alastair Gunn (16 червня 2023). The lithium problem: Why the element keeps disappearing. BBC Science Focus Magazine. Процитовано 17 червня 2023.
  19. ↑ Collaboration, Atlas (2021). Search for squarks and gluinos in final states with jets and missing transverse momentum using 139 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s}$ =13 TeV $pp$ collision data with the ATLAS detector. Jhep (англ.). 02: 143. arXiv:2010.14293. doi:10.1007/JHEP02(2021)143.
  20. ↑ Sutter, Paul (7 січня 2021). From squarks to gluinos: It's not looking good for supersymmetry. Space.com (англ.). Процитовано 29 жовтня 2021.
  21. ↑ Holder, Gilbert P.; Nollett, Kenneth M.; van Engelen, Alexander (June 2010). On Possible Variation in the Cosmological Baryon Fraction. Astrophysical Journal (англ.). 716 (2): 907—913. arXiv:0907.3919. Bibcode:2010ApJ...716..907H. doi:10.1088/0004-637X/716/2/907. ISSN 0004-637X.
Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Проблема_первинного_літію&oldid=41812431