Το κοσμολογικό πρόβλημα του λιθίου

Posted on 29/05/2016

0


PhysRevLett.116Τα άστρα όπως ο Ήλιος μας, συνίστανται κυρίως από υδρογόνο και ήλιο (4He), περιέχουν όμως και στοιχεία βαρύτερα του 4He ανάλογα με το μέγεθος και την ηλικία τους.
Η ανάλυση των φασματικών γραμμών του φωτός των άστρων μας αποκαλύπτει τα στοιχεία που περιέχονται στην εξωτερική τους ατμόσφαιρα. Οι αστρονόμοι όταν αναφέρονται στην αφθονία βαρύτερων του 4He στοιχείων στα άστρα χρησιμοποιούν τον όρο μεταλλικότητα. Η μεταλλικότητα των άστρων στον γαλαξία μας μεταβάλλεται. Για παράδειγμα κατά μήκος 10000 ετών φωτός προς το εξωτερικό του δίσκου του Γαλαξία μας, η μεταλλικότητα εν γένει μειώνεται κατά 35%.

Όμως αν εξετάσουμε ξεχωριστά τα βαρύτερα στοιχεία διαφόρων άστρων με χαμηλές – αλλά έως και δυο τάξεις μεγέθους διαφορετικές – μεταλλικότητες, τότε θα διαπιστώσουμε ότι το ισότοπο του λιθίου 7Li, περιέχεται σχεδόν με την ίδια σχετική αφθονία (το ίδιο ισχύει και για το ισότοπο 6Li). Πως είναι δυνατόν άστρα με τόσο διαφορετική συμπεριφορά να ταυτίζονται ως προς την σχετική περιεκτικότητα του λιθίου; Αυτό οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το λίθιο αυτών των άστρων είναι αρχέγονης προέλευσης: δεν σχηματίζεται στο εσωτερικό τους, αλλά κατά την διάρκεια της πυρηνοσύνθεσης στις πρώτες στιγμές της Μεγάλης Έκρηξης.

Το θεωρητικό μοντέλο που εξηγεί ποιοτικά και ποσοτικά τον σχηματισμό και την αφθονία των πυρήνων κατά τη διάρκεια των πρώτων λεπτών της Μεγάλης Έκρηξης συνήθως στη βιβλιογραφία αναφέρεται με τα αρχικά ΒΒΝ (Big Βang Νucleosynthesis – Πυρηνοσύνθεση Μεγάλης Έκρηξης).

BBN

Οι διαδοχικές πυρηνικές αντιδράσεις που έλαβαν χώρα από ~1 sec μέχρι ~3 min μετά την Μεγάλη Έκρηξη.

Η θεωρία της αρχέγονης πυρηνοσύνθεσης περιγράφει τον σχηματισμό των ελαφρών πυρήνων 2Η (ή D = δευτέριο), 3He, 4He και 7Li στο χρονικό διάστημα από ~1sec μέχρι ~3 min μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Οι θεωρητικές προβλέψεις της αφθονίας των ελαφρών στοιχείων προκύπτουν χρησιμοποιώντας τις γνωστές ενεργές διατομές πυρηνικών αντιδράσεων και ασθενών – ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων, από την πυρηνική φυσική και το Καθιερωμένο Πρότυπο αντίστοιχα. Αυτές οι προβλέψεις βρίσκονται εν γένει σε καλή συμφωνία με τις αφθονίες των ελαφρών στοιχείων που δίνουν οι αστρονομικές παρατηρήσεις. Κι αυτό είναι μια από τις μεγαλύτερες επιτυχίες της κοσμολογίας της Μεγάλης Έκρηξης.

Η θεωρία της Πυρηνοσύνθεσης στην Μεγάλη Έκρηξη άλλαξε δραματικά εξαιτίας των νέων δεδομένων που προέκυψαν κατά την τελευταία δεκαετία. Οι μετρήσεις κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου από το WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) προσδιόρισαν με εκπληκτική ακρίβεια τον λόγο αριθμού βαρυονίων προς τον αριθμό φωτονίων ηbWMAP= (6.23 ± 0.17) × 10−10, ένας αριθμός που παλιότερα υπεισέρχονταν ως παράμετρος στους υπολογισμούς της θεωρίας ΒΒΝ. Έτσι, οι αβεβαιότητες στους υπολογισμούς των αρχέγονων αφθονιών των ελαφρών πυρήνων δευτερίου, ηλίου και λιθίου συρρικνώθηκαν σε πρωτοφανή επίπεδα.abundunces

Η σύγκριση των ποσοτήτων που υπολογίζει η θεωρία BBN βρίσκεται σε εκπληκτική συμφωνία με τις ποσότητες που δίνει η παρατηρησιακή αστρονομία, με εξαίρεση το λίθιο.

Η τιμή της αφθονίας του λιθίου που υπολογίζει η θεωρία της πυρηνοσύνθεσης είναι περίπου 2 έως 5 φορές μεγαλύτερη από εκείνη που δίνουν οι παρατηρήσεις της αστρονομίας. Η απόκλιση αυτή ονομάζεται «κοσμολογικό πρόβλημα του λιθίου».

Αν θεωρήσουμε ότι το λίθιο που ανιχνεύεται στα άστρα δεν έχει αρχέγονη προέλευση, τότε το πρόβλημα συνεχίζει να υφίσταται. Απλά παύει να συνοδεύεται από τον εντυπωσιακό τίτλο «κοσμολογικό» και μεταπίπτει σε ένα συνηθισμένο «αστροφυσικό» πρόβλημα. Αν όμως έχει πράγματι αρχέγονη προέλευση τότε το κοσμολογικό πρόβλημα του λιθίου μπορεί να έχει τριών ειδών λύσεις (ή συνδυασμούς αυτών):

1) την λύση της αστροφυσικής, που θα εξετάσει τα πιθανά συστηματικά σφάλματα ή (και) θα αναθεωρήσει την μεθοδολογία των μετρήσεων που υποτιμούν την ποσότητα του αρχέγονου λιθίου-7 στα άστρα.

2) την λύση της πυρηνικής φυσικής, που θα διερευνήσει νέες πυρηνικές αντιδράσεις, πιθανούς συντονισμούς ή θα εντοπίσει σφάλματα στις ενεργές διατομές των ήδη γνωστών αντιδράσεων. Αν οι αλλαγές αυτές οδηγήσουν σε μικρότερες αφθονίες αρχέγονου 7Li (ή του 7Be διαμέσου του οποίου κυρίως σχηματίζεται το 7Li), τότε το πρόβλημα εξαφανίζεται.

3) την λύση πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων, παίρνοντας υπόψη νέα σωματίδια που ανήκουν στην σκοτεινή ύλη και την υπερσυμμετρική θεωρία

Τον τρίτο δρόμο επίλυσης του προβλήματος του λιθίου, πέραν του καθιερωμένου μοντέλου ακολουθούν πολλοί φυσικοί, π.χ. οι Βασίλης Σπανός et al: «Nuclear Reaction Uncertainties, Massive Gravitino Decays and the Cosmological Lithium Problem» και «Bound-State Effects on Light-Element Abundances in Gravitino Dark Matter Scenarios» ,
και πιο πρόσφατα οι Ανδρέας Γουδέλης et al με την εργασία τους «A light particle solution to the cosmic lithium problem» , που θεωρούν ότι η λύση του προβλήματος θα μπορούσε να βρίσκεται σε υποθετικά σωμάτια Χ που είναι ελαφρά και ηλεκτρικά ουδέτερα. Ο Γουδέλης και οι συνεργάτες του απέδειξαν ότι η παραγωγή του βηρυλλίου-7 μπορεί να μειώνεται εξαιτίας των ελαφρών, ουδέτερων σωματιδίων Χ που αλληλεπιδρούν άμεσα με τα νουκλεόνια και μπορούν να διασπούν τους πυρήνες βηρυλλίου-7 και δευτερίου. Αυτή η τροποποίηση στην θεωρία πυρηνοσύνθεσης της Μεγάλης Έκρηξης μειώνει την ποσότητα του παραγόμενου αρχέγονου λιθίου-7 στην τιμή που προκύπτει από τις παρατηρήσεις των άστρων διατηρώντας παράλληλα τις ποσότητες του δευτερίου και του ηλίου στις επιθυμητές τιμές.

Καλύτερα όμως να ακούσουμε τον ίδιο τον Ανδρέα Γουδέλη να εξηγεί τα αποτελέσματα της έρευνάς του στο βίντεο που ακολουθεί:

πηγές:
1. Lightweight Particles Might Explain Missing Lithium
2. The Primordial Lithium Problem, Brian D. Fields