Отсутствие лития во Вселенной бросает вызов представлениям о Большом взрыве и больших звездах

яВнутри каждой перезаряжаемой батареи — в электромобилях, телефонах и роботах-пылесосах — таится космическая тайна. Литий, который мы используем для питания большей части нашей жизни в наши дни, настолько распространен, что кажется почти прозаическим. Но этот элемент оказывается дикой картой, мятежником, который бросает вызов нашему самому базовому пониманию формирования самой Вселенной.

Помимо литий-ионных батарей, производства стекла и керамики, оптических систем, очистки воздуха, фейерверков и ракетного топлива, ядерного оружия и таблеток, стабилизирующих настроение, литий разбрасывается по космосу. Но его там не так много, как должно быть. И мы не знаем почему.

Этот хитрый маленький элемент на протяжении поколений бросал вызов объяснению, отказываясь подчиняться остальной части нашей космологической ортодоксальности. Надежная теория Большого взрыва, помимо других достижений, позволяет нам точно предсказать содержание всех легких элементов во Вселенной.

Кроме лития.

Это означает, что с нашим пониманием Большого взрыва может быть что-то не так. Возможно, что-то не так с нашими измерениями. Возможно, что-то не так с обоими. Или это может быть сигналом о том, что в ранней Вселенной действовали новые, еще не открытые силы. Каким бы ни было решение, этот мятежник и его так называемая «космологическая проблема лития» здесь, чтобы преподать нам радикально новый факт о Вселенной.

Нам просто нужно это выяснить.

Здесь, на Земле, литий лежал под ногами с момента образования планеты, и никто не подозревал, что этот элемент вообще существует. От греческого слова «камень» на Земле литий обычно встречается только в следовых количествах в более крупных минеральных конгломератах. В 1800 году бразильский химик Хосе Бонифасио де Андрада э Силва обнаружил его как новую руду на острове Уто в Швеции. Семнадцать лет спустя химик Йенс Якоб Берцелиус выделил новый элемент из руды. С тех пор серебристо-белый металл сделал возможным создание множества современных предметов роскоши.

Но большая часть лития во Вселенной находится внутри звезд.

Во Вселенной не так много лития, как должно быть. И мы не знаем почему.

Примерно 25 процентов всего лития во Вселенной, включая литий в бытовой электронике, образовалось в первые несколько минут Большого взрыва.

Теория Большого взрыва говорит нам, что 13,77 миллиарда лет назад весь наблюдаемый космос, содержащий каждую звезду и каждую галактику в объеме, который сейчас охватывает более 90 миллиардов световых лет в поперечнике, был сжат до объема размером не больше персика.

Всего через несколько мгновений после Большого взрыва температура была настолько высокой, что все протоны и нейтроны просто расплавились вместе, образуя составляющие их компоненты — крошечные частицы, известные как кварки. Каждый раз, когда какие-то кварки собирались вместе, образуя протон, они просто разбивались на части в результате сильного столкновения или высокоэнергетического излучения. Но по мере расширения Вселенной она охлаждалась. В определенный момент, где-то через три минуты после Большого взрыва, эта экзотическая плазма остыла примерно до 1 миллиарда Кельвинов — все еще ужасно горячая, но достаточно холодная, чтобы позволить производить стабильные протоны и нейтроны.

Эти ядерные реакции продолжались, при этом вновь образовавшиеся протоны и нейтроны связывались вместе, создавая четыре самых легких элемента в таблице Менделеева: водород, гелий, литий и бериллий. Но примерно через 10–20 минут этого танца расширяющаяся Вселенная стала слишком холодной, чтобы поддерживать дальнейшие реакции, запирая эти элементы на месте.

Чтобы новые элементы снова образовались во Вселенной, потребовались сотни миллионов лет спустя, пока не образовались первые звезды.

Одним из величайших триумфов теории Большого взрыва является ее способность предсказывать изобилие этих легких элементов. Впервые рассчитанный физиком Ральфом Альфером в 1940-х годах с использованием новых на тот момент знаний ядерной физики, работа была полностью конкретизирована. в известной газете он был соавтором.

Эти расчеты, известные под общим названием «нуклеосинтез Большого взрыва», предлагают одно из самых мощных предсказаний теории Большого взрыва: точную, оперативную оценку того, сколько легких элементов образовалось в те первые огненные минуты, проверенную астрономами. посредством изучения старейших звезд, галактик и туманностей в космосе.

Кроме лития.

Эти расчеты нуклеосинтеза предсказывают примерно в три раза больше лития, чем наблюдалось в старых звездах (наш лучший показатель ранних состояний Вселенной). И наоборот, в соответствии с парадоксальной природой элемента, новорожденные звезды, как правило, имеют много более лития, чем мы ожидали.

И все это лишь первая четверть лития во Вселенной. Космологи теперь полагают, что остальные 75 процентов могут быть результатом взрыва звезды определенного типа. известная как классическая новая. В классической новой у белого карлика — остатка ядра солнцеподобной звезды — есть спутник на орбите. Гравитация белого карлика высасывает газообразный водород из спутника, образуя вокруг себя атмосферу. Но когда плотность достигает критической точки срабатывания, водород самопроизвольно вступает в неконтролируемую реакцию термоядерного синтеза, взрывая атмосферу (и иногда появляясь на нашем небе в виде «новой» звезды — новой). Поскольку литий состоит из трех протонов и некоторого количества нейтронов, синтез водорода во время новой звезды легко приводит к образованию большого количества лития.

Примерно 25 процентов всего лития во Вселенной образовалось в первые несколько минут Большого взрыва.

Но литий также очень нестабилен, поскольку у него самая низкая энергия связи среди легких элементов, а это означает, что для его превращения требуется наименьшее количество энергии. разорвать его снова на части. Таким образом, большая часть лития, образующегося во время вспышки новой, испаряется в водород и гелий. То, что осталось, подвержено разрушительному воздействию космических лучей, которые могут пронзить его ядерное сердце и дестабилизировать его, испаряя таким же образом… или быть созданными спонтанно. когда космический луч сталкивается с более тяжелым атомом.

Смущенный? Ты не один. Астрономы не могут понять, какие процессы играют наиболее важную роль и каким должно быть окончательное количество лития после всего этого астрофизического перемешивания и перемешивания. Все это означает, что у нас есть лишь туманная связь между литием, образовавшимся в огне Большого взрыва, и литием, который мы видим рассеянным по космосу сегодня.

Когда подобные загадки сохраняются на протяжении десятилетий, учёные воспринимают это как знак того, что Вселенная сообщает им что-то важное. Природа этой важной вещи является предметом споров. И, как это обычно бывает в дебатах по физике, теоретики обвиняют наблюдателей, а наблюдатели обвиняют теоретиков.

Одна из возможностей странности лития заключается в том, что наше теоретическое понимание ядерной физики, особенно интенсивной физики, действовавшей в первые несколько минут Большого взрыва, не на должном уровне.

С этим трудно смириться, потому что, учитывая наше мастерство в управлении атомными электростанциями и ядерным оружием, мы, похоже, довольно хорошо справляемся с этими взаимодействиями. Но есть и интригующие открытия. Например, очень редкие реакционные цепочки могут способствовать образованию дополнительного лития, не нарушая баланс других элементов. Или резонансы могут сыграть роль. Это особые комбинации давления, температуры и объема взаимодействия, которые приводят к производству элементов, превышающему средний уровень. Возможно, мы недооценили важность некоторых из этих резонансов в физике Большого взрыва просто потому, что они нечасто возникают в земных экспериментах.

С другой стороны, наши наблюдения могут сбить нас с пути. Литий — хрупкий элемент, поэтому трудно разобраться с первобытными популяциями, которые не были затронуты или загрязнены другими процессами. Лучшее, что мы можем сделать, — это найти самые старые существующие звезды в галактике и попытаться измерить количество лития на их поверхности. Эти старые звезды, скорее всего, будут «чистыми» — они отражают изначальное количество лития, произведенного в результате Большого взрыва, а не в более поздних процессах звездного синтеза. Эти измерения непросты и требуют значительной калибровки и точной настройки, поскольку мы можем сделать вывод о количестве лития только после того, как узнаем температуру звезды и содержание других элементов. Если эти калибровки неверны, то и наши оценки лития неверны, что дает нам лишь приблизительную и неточенную картину того, сколько лития перемещалось по Вселенной, когда эти звезды впервые сформировались.

Как это обычно бывает в дебатах по физике, теоретики обвиняют наблюдателей, а наблюдатели обвиняют теоретиков.

И оказывается, что поверхности звезд, возможно, даже не лучшее место для поиска лития. Большая часть каждой звезды состоит из двух самых легких элементов: водорода и гелия. Литий, будучи тяжелее обоих, может просто проникнуть во внутренние глубины каждой звезды, скрываясь от нашего взгляда. Если он опустится слишком глубоко, сильные температуры и давления могут разъединить его, превратив в еще большее количество водорода и гелия.

Самая захватывающая возможность заключается в том, что и теоретики, и наблюдатели правы, но мы совершенно упускаем некоторые интересные моменты новой физики в ранней Вселенной. Возможно, некоторая темная материя, вездесущая загадочная частица, составляющая большую часть материи во Вселенной, может спонтанно распадаться на другие частицы, что нарушает цепные ядерные реакции нуклеосинтеза и изменяет содержание лития. Некоторые физики даже предположили, что фундаментальные константы природы, включая скорость света или заряд электрона, могли быть другими в глубоком и далеком прошлом, что опровергло бы многие наши расчеты.

Хотя большинство астрономов полагают, что ответ, скорее всего, лежит в каком-то банальном направлении, например, разрушение лития в звездных атмосферах, это решение не было подтверждено. Мы не можем взломать звезды и посмотреть, что происходит внутри, поэтому мы не можем напрямую проверить гипотезу.

Некоторые загадки приводят к огромным изменениям прежних норм. Некоторые решают спокойно. Но несмотря ни на что, повстанцы могут быть одними из лучших учителей, если мы открыты для них. Они заставляют нас пересмотреть статус-кво и пересмотреть наши взгляды. Они действуют как агенты-провокаторы которые охраняют нас от самоуспокоенности и держат нас в напряжении. Все это делает литий. Ни одна научная теория не идеальна, и Большой взрыв не является исключением. Только через углы, края и серые зоны у нас есть возможность расти и расширять наши знания о Вселенной.

Теория Большого взрыва остается сегодня доминирующей парадигмой в физической космологии. Это может объяснить, почему Вселенная расширяется. Это может объяснить существование древнего реликтового излучения. И это может объяснить состав и расположение материи во всем космосе.

Кроме лития.

Главное изображение: Хуан Робальо / Shutterstock

• Пол М. Саттер

  Опубликовано 10 апреля 2024 г.

  Пол М. Саттер — профессор-исследователь в области астрофизики в Институте передовых вычислительных наук Университета Стоуни-Брук и приглашенный исследователь в Институте Флэтайрон в Нью-Йорке. Он является автором Ваше место во Вселенной: понимание нашего большого, беспорядочного существования.