Μια πιθανή λύση στο κοσμολογικό πρόβλημα του λιθίου

Posted on 19/02/2017

1


Οι πυρηνικές αντιδράσεις κατά τη διάρκεια της αρχέγονης πυρηνοσύνθεσης λίγα λεπτά μετά την Μεγάλη Έκρηξη

Οι διαδοχικές πυρηνικές αντιδράσεις κατά τη διάρκεια της αρχέγονης πυρηνοσύνθεσης, λίγα λεπτά μετά την Μεγάλη Έκρηξη

O George Gamow το 1946 για πρώτη φορά πρότεινε [Phys. Rev., 70, 572, 1946: “Expanding Universe and the Origin of Elements”] τις βασικές ιδέες που θεμελιώνουν την θεωρία της θερμής Μεγάλης Έκρηξης – το πλέον αποδεκτό κοσμολογικό μοντέλο του σύμπαντος σήμερα. Σύμφωνα με τον Gamow το σύμπαν επεκτάθηκε από μια κατάσταση πολύ μεγάλης πυκνότητας στην οποία κυριαρχούσε η ακτινοβολία. Η θεωρία επιβεβαιώθηκε με την παρατήρηση της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου από τους Penzias και Wilson το 1965, την συνεχώς αναπτυσσόμενη γνώση μας σχετικά με την δομή μεγάλης κλίμακας του σύμπαντος και τις παρατηρούμενες αρχέγονες αφθονίες των ελαφρών στοιχείων στη φύση: υδρογόνο, ήλιο και λίθιο.

Το θεωρητικό μοντέλο που εξηγεί ποιοτικά και ποσοτικά τον σχηματισμό και την αφθονία των ελαφρών πυρήνων κατά τη διάρκεια των πρώτων λεπτών της Μεγάλης Έκρηξης συνήθως αναφέρεται με τα αρχικά ΒΒΝ (Big Βang Νucleosynthesis – Πυρηνοσύνθεση Μεγάλης Έκρηξης). Η σύνθεση των πυρήνων άρχισε 3 λεπτά μετά την Μεγάλη Έκρηξη και ολοκληρώθηκε μισή ώρα αργότερα, όταν σταμάτησαν να πραγματοποιούνται οι πυρηνικές αντιδράσεις εξαιτίας της πτώσης της θερμοκρασίας και της πυκνότητας του διαστελλόμενου σύμπαντος. Μόνο οι ελαφρότεροι πυρήνες 2Η, 3He, 4He και 7Li σχηματίστηκαν σε σημαντικές ποσότητες κατά την διάρκεια της αρχέγονης πυρηνοσύνθεσης και αυτά τα κατάλοιπα αποτελούν σήμερα ένα μοναδικό παράθυρο προς τις πρώτες στιγμές του σύμπαντος.

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 3 φορές μεγαλύτερη από εκείνη που δίνουν οι παρατηρήσεις της αστρονομίας. Η απόκλιση αυτή ονομάζεται «κοσμολογικό πρόβλημα του λιθίου» (διαβάστε σχετικά ΕΔΩ).

Οι προσπάθειες που έγιναν κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών για να λυθεί το πρόβλημα του λιθίου απέβησαν άκαρπες, υποδεικνύοντας την παρουσία της νέας φυσικής κατά την διάρκεια της αρχέγονης πυρηνοσύνθεσης. Στους μέχρι τώρα θεωρητικούς υπολογισμούς πυρηνοσύνθεσης, οι ταχύτητες των πυρήνων θεωρούνταν ότι περιγράφονται από την κλασική κατανομή Maxwell-Boltzmann. Υπενθυμίζεται ότι η κατανομή Maxwell-Boltzmann περιγράφει τις ταχύτητες των σωματιδίων ενός ιδανικού αερίου σε θερμοδυναμική ισορροπία.

Ωστόσο αξίζει να αναρωτηθούμε: μήπως κατά την εξαιρετικά περίπλοκη και πολύ γρήγορη διαστολή του θερμού πλάσματος στα πρώτα λεπτά της Μεγάλης Έκρηξης οι ταχύτητες των πυρήνων δεν ακολουθούν την κλασική κατανομή Maxwell-Boltzmann;

Αυτό ακριβώς υποθέτουν οι Hou et al στην πρόσφατη δημοσίευση με τίτλο «Non-extensive Statistics Solution to the Cosmological Lithium Problem» όπου εξετάζεται η περίπτωση να μην ισχύει στατιστική Maxwell-Boltzmann κατά την διάρκεια της πυρηνοσύνθεσης, αλλά η στατιστική Tsallis (διατυπώθηκε από τον Κωνσταντίνο Τσάλλη) και μπορεί να περιγράψει εξελισσόμενα συστήματα που δεν βρίσκονται σε ισορροπία.

Εφαρμόζοντας στους θεωρητικούς υπολογισμούς τους την στατιστική Tsallis, οι Hou et al διαπίστωσαν ότι η προκύπτουσα αφθονία του λιθίου, βρίσκεται σε εξαιρετική συμφωνία με την τιμή που δίνει η παρατηρησιακή αστρονομία.

Φαίνεται λοιπόν ότι εφαρμογή μιας νέας στατιστικής στις κατανομές των ταχυτήτων των πυρήνων που παίρνουν μέρος στην αρχέγονη πυρηνοσύνθεση να λύνει «κοσμολογικό πρόβλημα του λιθίου» – χωρίς να απαιτείται νέα φυσική, πέραν του καθιερωμένου προτύπου των στοιχειωδών σωματιδίων.

πηγή: https://arxiv.org/abs/1701.04149

Ετικέτα: