Космологическая проблема лития - Cosmological lithium problem

В астрономия, то литиевая проблема или же литиевое несоответствие относится к несоответствию изначальных избыток из литий как следует из наблюдений за бедными металлами (Население II ) гало звезды в нашей Галактике и количество, которое теоретически должно существовать за счет Нуклеосинтез Большого взрыва +WMAP предсказания плотности космических барионов CMB. А именно, наиболее широко распространенные модели Большого взрыва предполагают, что в три раза больше первичного лития, в частности литий-7, должен существовать. Это контрастирует с наблюдаемым содержанием изотопов водород (1Рука 2ЧАС ) и гелий (3Он и 4Он ), которые согласуются с прогнозами.[1] Несоответствие подчеркнуто в так называемом «сюжете Шрамма», названном в честь астрофизика. Дэвид Шрамм, который изображает эти изначальные содержания как функцию содержания космических барионов от стандартных BBN предсказания.

Этот «заговор Шрамма»[2] изображает исконное изобилие 4Он, Д, 3Он и 7Li как функция содержания космических барионов из стандартных предсказаний BBN. Предсказание CMB 7Li (узкие вертикальные полосы, 95% CL ) и BBN D +4Диапазон соответствия (более широкие вертикальные полосы, 95% CL) должен перекрываться с наблюдаемыми содержаниями легких элементов (желтые прямоугольники), чтобы соответствовать. Это происходит в 4Он и хорошо ограничен в D, но это не так для 7Li, где наблюдаемые наблюдения Li лежат в 3-4 раза ниже прогнозов BBN + WMAP.

Происхождение лития

Через несколько минут после Большого взрыва Вселенная почти полностью состояла из водорода и гелия со следовыми количествами лития и бериллия и пренебрежимо малыми содержаниями всех более тяжелых элементов.[3]

Синтез лития в условиях Большого взрыва

Нуклеосинтез Большого взрыва произвел и литий-7, и бериллий-7, и действительно последний доминирует в первичном синтезе нуклидов массы 7. С другой стороны, Большой взрыв произвел литий-6 на уровнях более чем в 1000 раз меньше. 7
4Быть
 позже распался через захват электронов (период полураспада 53,22 дня) в 7
3Ли
, так что наблюдаемое первичное содержание лития по существу суммирует первичный 7
3Ли
 и радиогенный литий от распада 7
4Быть
.

Эти изотопы образуются в результате реакций

3
1ЧАС
 		+ 4
2Он
 		→ 7
3Ли
 		+ 
γ
3
2Он
 		+ 4
2Он
 		→ 7
4Быть
 		+ 
γ

и уничтожен

7
4Быть
 		+ 
п
  		→ 7
3Ли
 		+ 
п
7
3Ли
 		+ 
п
  		→ 4
2Он
 		+ 4
2Он

Количество лития, образовавшегося в результате Большого взрыва, можно подсчитать.[4] Водород-1 самый распространенный нуклид, составляющий примерно 92% атомов во Вселенной, с гелий-4 второй - 8%. Другие изотопы, включая 2ЧАС, 3ЧАС, 3Он, 6Ли, 7Ли и 7Быть гораздо реже; предполагаемое содержание первичного лития составляет 10−10 относительно водорода.[5] Расчетная численность и соотношение 1Рука 4Он согласуется с данными наблюдений за молодыми звездами.[3]

Филиал P-P II

Смотрите также: Литий сжигание

В звездах литий-7 производится в протон-протонная цепная реакция.

Цепная реакция протон-протон II
3
2Он
 		+ 4
2Он
 		→ 7
4Быть
 		+ 
γ
7
4Быть
 		+ 
е−
  		→ 7
3Ли-
 		+ 
ν
е  		+ 0,861 МэВ / 0,383 МэВ
7
3Ли
 		+ 1
1ЧАС
 		→ 2 4
2Он

Ветвь P-P II доминирует при температурах от 14 до 23 МК.

Стабильные нуклиды первых элементов

Наблюдаемое изобилие лития

Несмотря на низкое теоретическое содержание лития, фактическое наблюдаемое количество меньше расчетного в 3-4 раза.[6] Это контрастирует с наблюдаемым содержанием изотопов водород (1Рука 2ЧАС ) и гелий (3Он и 4Он ), которые согласуются с прогнозами.[1]

Изобилие химических элементов в Солнечной системе. Водород и гелий являются наиболее распространенными, остаточными в парадигме Большого взрыва.[7] Li, Be и B редки, потому что они плохо синтезируются при Большом взрыве, а также в звездах; основным источником этих элементов является расщепление космических лучей.

Кажется, что у более старых звезд меньше лития, чем следовало бы, а у некоторых более молодых звезд гораздо больше.[8] Недостаток лития в старых звездах, по-видимому, вызван «смешиванием» лития в недрах звезд, где он разрушается,[9] в то время как литий производится в более молодых звездах. Хотя это трансмутирует на два атома гелий из-за столкновения с протон при температурах выше 2,4 миллиона градусов по Цельсию (большинство звезд легко достигают этой температуры в своих недрах) лития более распространено, чем предсказывают современные вычисления, у звезд более позднего поколения.[10][11]

Новая Центавра 2013 это первое свидетельство наличия лития.[12]

Литий также содержится в коричневый карлик субзвездные объекты и некоторые аномальные оранжевые звезды. Поскольку литий присутствует в более холодных и менее массивных коричневых карликах, но разрушается в более горячих. красный карлик звезды, его присутствие в спектрах звезд можно использовать в «литиевом тесте», чтобы различить эти две звезды, поскольку оба они меньше Солнца.[10][11][13]

Меньше лития в солнечных звездах с планетами

Звезды, подобные Солнцу, без планет, содержат в 10 раз больше лития, чем звезды, подобные Солнцу, с планетами в выборке из 500 звезд.[14][15] Поверхностные слои Солнца содержат менее 1% лития исходного образования. протосолнечные газовые облака несмотря на то, что поверхностная конвективная зона недостаточно горячая, чтобы сжечь литий.[15] Предполагается, что гравитационное притяжение планет может усилить взбалтывание поверхности звезды, что приведет к перемещению лития в более горячие ядра, где сжигание лития происходит.[14][15] Отсутствие лития также могло быть способом открытия новых планетных систем.[14] Однако эта заявленная взаимосвязь стала предметом спора в сообществе планетарных астрофизиков, и их часто отрицают.[16][17] но тоже поддерживается.[18][19]

Содержание лития в звездах с низким содержанием металлов выше ожидаемого

Некоторые оранжевые звезды также могут содержать высокую концентрацию лития.[20] Эти оранжевые звезды, как было обнаружено, имеют более высокую, чем обычно, концентрацию литиевых массивных объектов на орбите - нейтронных звезд или черных дыр, - чья гравитация, очевидно, притягивает более тяжелый литий к поверхности водородно-гелиевой звезды, что приводит к обнаружению большего количества лития.[10]

Предлагаемые решения

Возможные решения делятся на три широких класса.

Астрофизические решения

Учитывая возможность того, что предсказания BBN верны, измеренное значение изначального содержания 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 отношения Li / H в звездах. Кроме того, большое количество наблюдений за истощением лития остается важным, поскольку нынешние уровни лития могут не отражать первоначальное содержание лития в звезде. Таким образом, точные измерения изначального содержания лития - это текущая цель прогресса, и вполне возможно, что окончательный ответ лежит не в астрофизических решениях.[6]

Решения для ядерной физики

Если учесть возможность того, что измеренное содержание первичного лития является правильным и основано на Стандартная модель Из физики элементарных частиц и стандартной космологии проблема лития влечет за собой ошибки в предсказаниях легких элементов BBN. Хотя стандартный BBN опирается на четко определенную физику, слабые и сильные взаимодействия усложняются для BBN и, следовательно, могут быть слабым местом в стандартных расчетах BBN.[6]

Во-первых, неправильные или отсутствующие реакции могут вызвать проблему с литием. В случае неправильных реакций основные мысли лежат в области пересмотра поперечное сечение ошибок и стандартных термоядерных скоростей согласно недавним исследованиям.[21][22]

Во-вторых, начиная с Фред Хойл открытие резонанс в углерод-12, важный фактор в тройной альфа-процесс резонансные реакции, некоторые из которых могли ускользнуть от экспериментального обнаружения или эффекты которых недооценивались, становятся возможными решениями проблемы лития.[23][24]

Решения, выходящие за рамки стандартной модели

При условии правильного расчета решения вне существующий Стандартная модель или может потребоваться стандартная космология.[6]

Распад темной материи и суперсимметрия предоставляют одну возможность, в которой сценарии распада темной материи вводят богатый набор новых процессов, которые могут изменять световые элементы во время и после BBN, и находят хорошо мотивированное происхождение в суперсимметричных космологиях. С полностью работоспособным Большой адронный коллайдер (LHC), большая часть минимальной суперсимметрии находится в пределах досягаемости, которая в случае обнаружения произвела бы революцию в физике элементарных частиц и космологии.[6]

Изменение фундаментальные константы может быть одним из возможных решений, и это означает, что, во-первых, атомные переходы в металлах, находящиеся вкрасное смещение регионы могут вести себя иначе, чем наши собственные. Кроме того, связи Стандартной модели и массы частиц могут отличаться; в-третьих, необходимо варьировать параметры ядерной физики.[6]

Нестандартные космологии указывают на изменение отношения барионов к фотонам в разных областях. Одно предложение является результатом крупномасштабных неоднородностей космической плотности, отличных от однородности, определенной в космологический принцип. Однако эта возможность требует большого количества наблюдений, чтобы проверить ее.[25]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Hou, S. Q .; He, J.J .; Парих, А .; Kahl, D .; Bertulani, C.A .; Каджино, Т .; Мэтьюз, G.J .; Чжао, Г. (2017). «Неполная статистика по космологической проблеме лития». Астрофизический журнал. 834 (2): 165. arXiv:1701.04149. Bibcode:2017ApJ ... 834..165H. Дои:10.3847/1538-4357/834/2/165.
  2. ^ Танабаши, М .; Hagiwara, K .; Hikasa, K .; Накамура, К .; Сумино, Ю. и другие. (Группа данных по частицам) (2018-08-17). «Обзор физики элементарных частиц». Физический обзор D. Американское физическое общество (APS). 98 (3): 030001. Дои:10.1103 / Physrevd.98.030001. ISSN  2470-0010. и обновление 2019 года.
  3. ^ а б Langmuir, C.H .; Брокер, В. С. (2012). Как построить пригодную для жизни планету: история Земли от Большого взрыва до человечества. ISBN  978-0691140063.
  4. ^ Boesgaard, A.M .; Стейгман, Г. (1985). "Нуклеосинтез большого взрыва - теории и наблюдения". Ежегодный обзор астрономии и астрофизики. Пало-Альто, Калифорния. 23: 319–378. Bibcode:1985ARA & A..23..319B. Дои:10.1146 / annurev.aa.23.090185.001535. A86-14507 04–90.
  5. ^ Танабаши, М .; и другие. (2018). «Нуклеосинтез Большого взрыва». In Fields, B.D .; Molaro, P .; Саркар, С. (ред.). Обзор (PDF). Физический обзор D. 98. С. 377–382. Дои:10.1103 / PhysRevD.98.030001.
  6. ^ а б c d е ж Поля, Б. Д. (2011). «Исконная проблема лития». Ежегодный обзор ядерной науки и физики элементарных частиц. 61: 47–68. arXiv:1203.3551. Bibcode:2011ARNPS..61 ... 47F. Дои:10.1146 / annurev-nucl-102010-130445.
  7. ^ Стиавелли, М. (2009). От Первого Света к Реионизации Конец Темных Веков. Вайнхайм, Германия: Вайли-ВЧ. п. 8. Bibcode:2009fflr.book ..... S. ISBN  9783527627370.
  8. ^ Ву, М. (21 февраля 2017 г.). "Космические взрывы, создавшие Вселенную". земной шар. BBC. В архиве из оригинала 21 февраля 2017 г.. Получено 21 февраля 2017. Загадочная космическая фабрика производит литий. Ученые все ближе подходят к выяснению его происхождения.
  9. ^ Каин, Ф. (16 августа 2006 г.). «Почему в старых звездах не хватает лития». В архиве из оригинала от 4 июня 2016 г.
  10. ^ а б c Эмсли, Дж. (2001). Строительные блоки природы. Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-850341-5.
  11. ^ а б Каин, Ф. "Коричневый карлик". Вселенная сегодня. Архивировано из оригинал 25 февраля 2011 г.. Получено 17 ноября 2009.
  12. ^ «Первое обнаружение лития от взрывающейся звезды». Архивировано из оригинал 1 августа 2015 г.. Получено 29 июля 2015.
  13. ^ Рид, Н. (10 марта 2002 г.). "Классификация L карликов". Архивировано из оригинал 21 мая 2013 г.. Получено 6 марта 2013.
  14. ^ а б c Плет, П. (11 ноября 2009 г.). «Хотите планету? Возможно, вы захотите избежать лития». Обнаружить.
  15. ^ а б c Израильский, G .; и другие. (2009). «Повышенное истощение лития в звездах, подобных Солнцу, с вращающимися вокруг планет». Природа. 462 (7270): 189–191. arXiv:0911.4198. Bibcode:2009Натура.462..189I. Дои:10.1038 / природа08483. PMID  19907489. ... подтверждают своеобразное поведение Li в диапазоне эффективных температур 5600–5900 K ... Мы обнаружили, что огромное большинство звезд-хозяев планет сильно обеднены литием ... При более высоких и более низких температурах звезды-хозяева планет не появляются показывать какое-либо своеобразное поведение в их изобилии Li.
  16. ^ Baumann, P .; Рамирес, I .; и другие. (2010). «Истощение лития в звездах, подобных Солнцу: отсутствие связи с планетами». Астрономия и астрофизика. 519: A87. Дои:10.1051/0004-6361/201015137. ISSN  0004-6361.
  17. ^ Рамирес, I .; Fish, J. R .; и другие. (2012). «Содержание лития в близлежащих карликовых и субгигантских звездах FGK: внутреннее разрушение, химическая эволюция галактик и экзопланеты». Астрофизический журнал. 756 (1): 46. Дои:10.1088 / 0004-637X / 756/1/46. HDL:2152/34872. ISSN  0004-637X.
  18. ^ Figueira, P .; Faria, J. P .; и другие. (2014). «Хозяева экзопланеты обнаруживают истощение запасов лития». Астрономия и астрофизика. 570: A21. Дои:10.1051/0004-6361/201424218. ISSN  0004-6361.
  19. ^ Delgado Mena, E .; Израильский, G .; и другие. (2014). «Истощение лития в солнечных аналогах с экзопланетами». Астрономия и астрофизика. 562: A92. Дои:10.1051/0004-6361/201321493. ISSN  0004-6361.
  20. ^ Li, H .; Aoki, W .; Matsuno, T .; Кумар, Й. Бхарат; Shi, J .; Суда, Т .; Zhao, G .; Чжао, Г. (2018). "Огромное усиление Ли, предшествующее фазам красных гигантов в маломассивных звездах в гало Млечного Пути". Астрофизический журнал. 852 (2): L31. arXiv:1801.00090. Bibcode:2018ApJ ... 852L..31L. Дои:10.3847 / 2041-8213 / aaa438.
  21. ^ Angulo, C .; Casarejos, E .; Couder, M .; Demaret, P .; Leleux, P .; Вандербист, Ф .; Coc, A .; Kiener, J .; Татищев, В .; Davinson, T .; Мерфи, А. С. (сентябрь 2005 г.). «Поперечное сечение 7Be (d, p) 2α при энергиях Большого взрыва и изначальное изобилие 7Li». Письма в астрофизический журнал. 630 (2): L105 – L108. Дои:10.1086/491732. ISSN  0004-637X.
  22. ^ Бойд, Ричард Н .; Brune, Carl R .; 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. Дои:10.1103 / PhysRevD.82.105005. ISSN  1550-7998.
  23. ^ Hammache, F .; Coc, A .; de Séréville, N .; Стефан, И .; Roussel, P .; Анселин, С .; Assié, M .; Audouin, L .; Beaumel, D .; Franchoo, S .; 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. Дои:10.1103 / PhysRevC.88.062802. ISSN  0556-2813.
  24. ^ O'Malley, P.D .; Бардаян, Д. З .; Adekola, A. S .; Ahn, S .; Chae, K. Y .; Чижевский, Я.; Graves, S .; Howard, M.E .; Jones, K. L .; Kozub, R.L .; Линдхардт, Л. (октябрь 2011 г.). «Поиски резонансного усиления реакции 7Be + d и изначального содержания 7Li». Физический обзор C. 84 (4): 042801. Дои:10.1103 / PhysRevC.84.042801. ISSN  0556-2813.
  25. ^ Холдер, Гилберт П .; Nollett, Kenneth M .; ван Энгелен, Александр (июнь 2010 г.). "О возможном изменении космологической барионной фракции". Астрофизический журнал. 716 (2): 907–913. Дои:10.1088 / 0004-637X / 716/2/907. ISSN  0004-637X.