Космологическая проблема лития
В астрономии проблема лития или несоответствие лития относится к несоответствию между первичным содержанием лития , полученным на основе наблюдений с бедным металлом ( популяция II ) звезд гало в нашей галактике, и его количеством, которое теоретически должно существовать из-за нуклеосинтеза Большого взрыва + WMAP. предсказания космической барионной плотности 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 обилием изотопов водорода ( 1 Рука 2 H ) и гелий ( 3 Он и 4 Он ), которые согласуются с предсказаниями. [1] Это несоответствие подчеркивается на так называемом «графике Шрамма», названном в честь астрофизика Дэвида Шрамма , который изображает эти первичные содержания как функцию содержания космических барионов на основе стандартных предсказаний BBN .
Происхождение лития
[ редактировать ]Через несколько минут после Большого взрыва Вселенная почти полностью состояла из водорода и гелия со следовыми количествами лития и бериллия и пренебрежимо малым содержанием всех более тяжелых элементов. [3]
Синтез лития при Большом взрыве
[ редактировать ]В результате нуклеосинтеза Большого Взрыва были получены как литий-7, так и бериллий-7, и действительно, последний доминирует в первичном синтезе нуклидов с массой 7. С другой стороны, Большой Взрыв произвел литий-6 в количествах, более чем в 1000 раз меньших. 7
4 Будь
позже распался путем захвата электронов ( период полураспада 53,22 дня) на 7
3 Ли
,так что наблюдаемое первичное содержание лития по существу является суммой изначального содержания лития. 7
3 Ли
и радиогенный литий в результате распада 7
4 Будь
.
Эти изотопыобразуются в результате реакций
и уничтожен
Количество лития, образовавшегося в результате Большого взрыва, можно подсчитать. [4] Водород-1 является самым распространенным нуклидом , составляющим примерно 92% атомов во Вселенной, на втором месте находится гелий-4 с 8%. Другие изотопы, включая 2 ЧАС, 3 ЧАС, 3 Он, 6 Что, 7 Ли и 7 Быть гораздо реже; предполагаемое содержание первичного лития составляет 10 −10 относительно водорода. [5] Рассчитанная численность и соотношение 1 Рука 4 Он согласуется с данными наблюдений молодых звезд. [3]
Филиал ПП II
[ редактировать ]В звездах литий-7 образуется в результате протон-протонной цепной реакции .
3
2 Он
+ 4
2 Он
→ 7
4 Будь
+
с7
4 Будь
+
и −
→ 7
3 Ли -
+
н
и+ 0,861 МэВ / 0,383 МэВ 7
3 Ли
+ 1
1 час
→ 2 4
2 Он
Ветвь ПП II доминирует при температурах от 14 до 23 МК .
Наблюдаемое обилие лития
[ редактировать ]Несмотря на низкое теоретическое содержание лития, фактическое наблюдаемое количество меньше расчетного в 3–4 раза. [6] Это контрастирует с наблюдаемым обилием изотопов водорода ( 1 Рука 2 H ) и гелий ( 3 Он и 4 Он ), которые согласуются с предсказаниями. [1]
Кажется, что у старых звезд лития меньше, чем должно быть, а у некоторых более молодых звезд его гораздо больше. [8] Одна из предлагаемых моделей заключается в том, что литий, образовавшийся в молодости звезды, опускается под атмосферу звезды (где он скрыт от прямого наблюдения) из-за эффектов, которые авторы описывают как «турбулентное перемешивание» и «диффузию», которые, как предполагается, увеличиваются или накапливаются по мере того, как звездный возраст. [9] Спектроскопические наблюдения звезд в шаровом скоплении NGC 6397 , бедном металлами, согласуются с обратной зависимостью между содержанием лития и возрастом, но теоретический механизм диффузии не был формализован. [10] 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 в звездах более позднего поколения больше, чем предсказывают текущие вычисления. [11] [12]
Литий также содержится в субзвездных объектах коричневых карликов 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 их, поскольку оба они меньше Солнца. [11] [12] [14]
Меньше лития в солнцеподобных звездах с планетами
[ редактировать ]Солнцеподобные звезды без планет содержат в 10 раз больше лития, чем Солнцеподобные звезды с планетами в выборке из 500 звезд. [15] [16] В поверхностных слоях Солнца содержится менее 1% лития от первоначального образования протосолнечных газовых облаков, несмотря на то, что приземная конвективная зона недостаточно горячая, чтобы сжигать литий. [16] Предполагается, что гравитационное притяжение планет может усилить взбалтывание поверхности звезды, направляя литий к более горячим ядрам, где и происходит его горение . [15] [16] Отсутствие лития также может быть способом найти новые планетные системы. [15] Однако эта заявленная взаимосвязь стала предметом разногласий в сообществе планетарной астрофизики, и ее часто отрицают. [17] [18] но и поддерживается. [19] [20]
Больше, чем ожидалось, лития в бедных металлами звездах
[ редактировать ]Некоторые оранжевые звезды также могут содержать высокую концентрацию лития. [21] Обнаружено, что эти оранжевые звезды имеют более высокую, чем обычно, концентрацию лития, вращающуюся вокруг массивных объектов — нейтронных звезд или черных дыр, — чья гравитация, очевидно, притягивает более тяжелый литий к поверхности водородно-гелиевой звезды, в результате чего можно наблюдать больше лития. [11]
Предлагаемые решения
[ редактировать ]Возможные решения делятся на три широких класса.
Астрофизические решения
[ редактировать ]Учитывая возможность того, что предсказания BBN верны, измеренное значение содержания первичного 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 соотношение Li/H в звездах. Более того, дополнительные наблюдения за истощением лития остаются важными, поскольку нынешние уровни лития могут не отражать первоначальное содержание лития в звезде. Таким образом, точные измерения содержания первичного лития являются в настоящее время целью прогресса, и вполне возможно, что окончательный ответ не лежит в астрофизических решениях. [6]
Некоторые астрономы предполагают, что скорости нуклонов не подчиняются распределению Максвелла-Больцмана . Они проверяют структуру необширной статистики Цаллиса. Их результат предполагает, что 1,069 < q < 1,082 является возможным новым решением космологической проблемы лития. [22]
Решения в области ядерной физики
[ редактировать ]Если принять во внимание возможность того, что измеренное содержание первичного лития верно и основано на Стандартной модели физики элементарных частиц и стандартной космологии, проблема лития подразумевает ошибки в предсказаниях легких элементов BBN. Хотя стандартный BBN основан на четко определенной физике, слабые и сильные взаимодействия сложны для BBN и, следовательно, могут быть слабым местом в стандартном расчете BBN. [6]
Во-первых, неправильные или отсутствующие реакции могут привести к проблеме с литием. основные идеи заключаются в пересмотре ошибок поперечного сечения и стандартных термоядерных скоростей. Что касается неправильных реакций, то, согласно недавним исследованиям, [23] [24]
Во-вторых, начиная с Фредом Хойлом открытия резонанса в углероде-12 , важного фактора в тройном альфа-процессе , резонансные реакции, некоторые из которых могли ускользнуть от экспериментального обнаружения или чьи эффекты были недооценены, стали возможными решениями проблемы проблема с литием. [25] [26]
В 2023 году BBC Science Focus написала, что «недавние исследования, похоже, полностью опровергают» такие теории; журнал считал, что основные расчеты нуклеосинтеза лития, вероятно, верны. [27]
Решения за пределами стандартной модели
[ редактировать ]При условии корректности вычислений решения, выходящие за рамки существующей Стандартной модели или стандартной космологии. могут потребоваться [6]
Распад темной материи и суперсимметрия открывают одну из возможностей, в которой сценарии распада темной материи представляют богатый набор новых процессов, которые могут изменять легкие элементы во время и после BBN, и находят хорошо мотивированное происхождение в суперсимметричных космологиях. Благодаря полностью функционирующему Большому адронному коллайдеру (БАК) большая часть минимальной суперсимметрии окажется в пределах досягаемости, что, если бы она была обнаружена, произвело бы революцию в физике элементарных частиц и космологии; [6] однако результаты эксперимента ATLAS в 2020 году исключили многие суперсимметричные модели. [28] [29]
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 иначе, чем наши собственные. Кроме того, связи Стандартной модели и массы частиц могут различаться, и потребуются изменения в параметрах ядерной физики. [6]
Нестандартные космологии указывают на изменение отношения барионов к фотонам в разных регионах. Одно из предложений является результатом крупномасштабной неоднородности космической плотности, отличной от однородности, определенной в космологическом принципе . Однако для проверки этой возможности требуется большое количество наблюдений. [30]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Хоу, SQ; Он, Джей-Джей; Парих, А.; Каль, Д.; Бертулани, Калифорния; Каджино, Т.; Мэтьюз, Дж.Дж.; Чжао, Г. (2017). «Необширная статистика по космологической проблеме лития» . Астрофизический журнал . 834 (2): 165. arXiv : 1701.04149 . Бибкод : 2017ApJ...834..165H . дои : 10.3847/1538-4357/834/2/165 . S2CID 568182 .
- ^ Танабаши, М.; Хагивара, К.; Хикаса, К.; Накамура, К.; Сумино, Ю.; и др. (Группа данных о частицах) (17 августа 2018 г.). «Обзор физики элементарных частиц» . Физический обзор D . 98 (3). Американское физическое общество (APS): 030001. Бибкод : 2018PhRvD..98c0001T . дои : 10.1103/physrevd.98.030001 . hdl : 10044/1/68623 . ISSN 2470-0010 . и обновление 2019 года.
- ^ Перейти обратно: а б Ленгмюр, Швейцария; Брокер, WS (2012). Как построить обитаемую планету: история Земли от Большого взрыва до человечества . Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0691140063 .
- ^ Боесгаард, AM; Стейгман, Г. (1985). «Нуклеосинтез Большого взрыва - Теории и наблюдения». Ежегодный обзор астрономии и астрофизики . 23 . Пало-Альто, Калифорния: 319–378. Бибкод : 1985ARA&A..23..319B . дои : 10.1146/annurev.aa.23.090185.001535 . А86-14507 04–90.
- ^ Танабаши, М.; и др. (2018). «Нуклеосинтез Большого взрыва». В Филдсе, Б.Д.; Моларо, П.; Саркар, С. (ред.). Обзор (PDF) . Том. 98. стр. 377–382. Бибкод : 2018PhRvD..98c0001T . doi : 10.1103/PhysRevD.98.030001 .
{{cite book}}:|journal=игнорируется ( помогите ) - ^ Перейти обратно: а б с д и ж Филдс, Б.Д. (2011). «Первородная проблема лития» . Ежегодный обзор ядерной науки и науки о элементарных частицах . 61 (1): 47–68. arXiv : 1203.3551 . Бибкод : 2011ARNPS..61...47F . doi : 10.1146/annurev-nucl-102010-130445 .
- ^ Стиавелли, М. (2009). От Первого Света до Реионизации и Конца Темных Веков . Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH . п. 8. Бибкод : 2009fflr.book.....S . ISBN 9783527627370 .
- ^ Ву, М. (21 февраля 2017 г.). «Космические взрывы, создавшие Вселенную» . земля . Би-би-си. Архивировано из оригинала 21 февраля 2017 года . Проверено 21 февраля 2017 г.
Загадочная космическая фабрика производит литий. Ученые теперь приближаются к выяснению происхождения этого вещества.
- ^ Ричард, О.; Мишо, Г.; Ричер, Дж. (20 января 2005 г.). «Влияние наблюдений WMAP на модели содержания Li и звездной эволюции» . Астрофизический журнал . 619 (1): 538–548. arXiv : astro-ph/0409672 . Бибкод : 2005ApJ...619..538R . дои : 10.1086/426470 . ISSN 0004-637X . S2CID 14299934 .
- ^ Корн, Эй Джей; Грюндал, Ф.; Ричард, О.; Барклем, PS; Машонкина Л.; Колле, Р.; Пискунов Н.; Густафссон, Б. (август 2006 г.). «Вероятное звездное решение космологического несоответствия лития» . Природа . 442 (7103): 657–659. arXiv : astro-ph/0608201 . Бибкод : 2006Natur.442..657K . дои : 10.1038/nature05011 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 16900193 . S2CID 3943644 .
- ^ Перейти обратно: а б с Эмсли, Дж. (2001). Строительные блоки природы . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850341-5 .
- ^ Перейти обратно: а б Каин, Фрейзер. «Коричневый карлик» . Вселенная сегодня. Архивировано из оригинала 25 февраля 2011 года . Проверено 17 ноября 2009 г.
- ^ «Первое обнаружение лития из взрывающейся звезды» . Архивировано из оригинала 1 августа 2015 года . Проверено 29 июля 2015 г.
- ^ Рид, Н. (10 марта 2002 г.). «Классификация L-карликов» . Архивировано из оригинала 21 мая 2013 года . Проверено 6 марта 2013 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Плейт, П. (11 ноября 2009 г.). «Хотите планету? Возможно, вам стоит избегать лития» . Обнаружить .
- ^ Перейти обратно: а б с Исраэльян, Г.; и др. (2009). «Увеличенное истощение лития в солнцеподобных звездах с вращающимися вокруг планет». Природа . 462 (7270): 189–191. arXiv : 0911.4198 . Бибкод : 2009Natur.462..189I . дои : 10.1038/nature08483 . ПМИД 19907489 . S2CID 388656 .
... подтверждают своеобразное поведение Li в диапазоне эффективных температур 5600–5900 К... Мы обнаружили, что подавляющее большинство планет-хозяев имеют сильно обедненный литий... При более высоких и более низких температурах звезды-планеты-хозяева не появляются чтобы продемонстрировать какое-либо странное поведение в их изобилии Li.
- ^ Бауманн, П.; Рамирес, И.; и др. (2010). «Истощение лития в звездах солнечного типа: нет связи с планетами» . Астрономия и астрофизика . 519 : А87. arXiv : 1008.0575 . Бибкод : 2010A&A...519A..87B . дои : 10.1051/0004-6361/201015137 . ISSN 0004-6361 .
- ^ Рамирес, И.; Фиш, младший; и др. (2012). «Содержание лития в близлежащих карликовых и субгигантских звездах FGK: внутреннее разрушение, химическая эволюция галактик и экзопланеты». Астрофизический журнал . 756 (1): 46. arXiv : 1207.0499 . Бибкод : 2012ApJ...756...46R . дои : 10.1088/0004-637X/756/1/46 . HDL : 2152/34872 . ISSN 0004-637X . S2CID 119199829 .
- ^ Фигейра, П.; Фариа, Япония; и др. (2014). «Хозяева экзопланет обнаруживают истощение лития» . Астрономия и астрофизика . 570 : А21. arXiv : 1409.0890 . дои : 10.1051/0004-6361/201424218 . ISSN 0004-6361 .
- ^ Дельгадо Мена, Э.; Исраэльян, Г.; и др. (2014). «Обеднение литием солнечных аналогов с экзопланетами» . Астрономия и астрофизика . 562 : А92. arXiv : 1311.6414 . дои : 10.1051/0004-6361/201321493 . ISSN 0004-6361 .
- ^ Ли, Х.; Аоки, В.; Мацуно, Т.; Кумар, Ю. Бхарат; Ши, Дж.; Суда, Т.; Чжао, Г.; Чжао, Г. (2018). «Огромное усиление Ли, предшествующее фазам красных гигантов в маломассивных звездах в гало Млечного Пути» . Астрофизический журнал . 852 (2): Л31. arXiv : 1801.00090 . Бибкод : 2018ApJ...852L..31L . дои : 10.3847/2041-8213/aaa438 . S2CID 54205417 .
- ^ Хоу, SQ; Он, Джей-Джей; Парих, А.; Каль, Д.; Бертулани, Калифорния; Каджино, Т.; Мэтьюз, Дж.Дж.; Чжао, Г. (11 января 2017 г.). «Необширная статистика по космологической проблеме лития» . Астрофизический журнал . 834 (2): 165. arXiv : 1701.04149 . Бибкод : 2017ApJ...834..165H . дои : 10.3847/1538-4357/834/2/165 . ISSN 1538-4357 . S2CID 568182 .
- ^ Ангуло, К.; Касарехос, Э.; Кудер, М.; Демаре, П.; Леле, П.; Вандербист, Ф.; Кок, А.; Кинер, Дж.; Татищев В.; Давинсон, Т.; Мерфи, AS (сентябрь 2005 г.). «Поперечное сечение 7Be(d,p)2α при энергиях Большого взрыва и изначальное изобилие 7Li» . Письма астрофизического журнала . 630 (2): Л105–Л108. arXiv : astro-ph/0508454 . Бибкод : 2005ApJ...630L.105A . дои : 10.1086/491732 . ISSN 0004-637X .
- ^ Бойд, Ричард Н.; Брюн, Карл Р.; Фуллер, Джордж М.; Смит, Кристель Дж. (ноябрь 2010 г.). «Новая ядерная физика для нуклеосинтеза Большого взрыва» . Физический обзор D . 82 (10): 105005. arXiv : 1008.0848 . Бибкод : 2010PhRvD..82j5005B . дои : 10.1103/PhysRevD.82.105005 . ISSN 1550-7998 . S2CID 119265813 .
- ^ Хаммаш, Ф.; Кок, А.; де Серевиль, Н.; Стефан, И.; Руссель, П.; Анселин, С.; Асье, М.; Одуэн, Л.; Бомель, Д.; Франчу, С.; Фернандес-Домингес, Б. (декабрь 2013 г.). «Поиск новых резонансных состояний в 10C и 11C и их влияние на космологическую проблему лития» . Физический обзор C . 88 (6): 062802. arXiv : 1312.0894 . Бибкод : 2013PhRvC..88f2802H . дои : 10.1103/PhysRevC.88.062802 . ISSN 0556-2813 . S2CID 119110688 .
- ^ О'Мэлли, PD; Бардаян, Д.В.; Адекола, А.С.; Ан, С.; Че, Кентукки; Чижевски, Дж. А. ; Грейвс, С.; Ховард, Мэн; Джонс, КЛ; Козуб, РЛ; Линдхардт, Л. (октябрь 2011 г.). «Поиск резонансного усиления реакции 7Be + d и изначального содержания 7Li» . Физический обзор C . 84 (4): 042801. Бибкод : 2011PhRvC..84d2801O . doi : 10.1103/PhysRevC.84.042801 . ISSN 0556-2813 .
- ^ Аластер Ганн (16 июня 2023 г.). «Проблема лития: почему элемент продолжает исчезать» . Журнал BBC Science Focus . Проверено 17 июня 2023 г.
- ^ Сотрудничество, Атлас (2021). «Поиск скварков и глюино в конечных состояниях с струями и недостающим поперечным импульсом с использованием данных столкновений 139 фб$^{-1}$ $\sqrt{s}$ =13 ТэВ $pp$ с детектором ATLAS». Джеп . 02 : 143. arXiv : 2010.14293 . дои : 10.1007/JHEP02(2021)143 . S2CID 256039464 .
- ^ Саттер, Пол (07 января 2021 г.). «От скварков к глюино: для суперсимметрии это выглядит не очень хорошо» . Space.com . Проверено 29 октября 2021 г.
- ^ Холдер, Гилберт П.; Ноллетт, Кеннет М.; ван Энгелен, Александр (июнь 2010 г.). «О возможном изменении космологической барионной фракции» . Астрофизический журнал . 716 (2): 907–913. arXiv : 0907.3919 . Бибкод : 2010ApJ...716..907H . дои : 10.1088/0004-637X/716/2/907 . ISSN 0004-637X .