Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В астрономии , то проблема литии или литиевое несоответствие относится к несоответствию между изначальным изобилием из лития , как вывод из наблюдений металла-бедных ( население II ) звезд гало нашей Галактики и количество , которое теоретически должно существовать из - за Большой взрыв Нуклеосинтеза + WMAP предсказания плотности космических барионов 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 содержанием изотоповводород ( 1 H и 2 H ) и гелий ( 3 He и 4 He ), которые согласуются с предсказаниями. [1] Несоответствие подчеркивается в так называемом «сюжете Шрамма», названном в честь астрофизика Дэвида Шрамма , который изображает эти изначальные содержания как функцию содержания космических барионов по стандартным предсказаниям BBN .

Этот «график Шрамма» [2] изображает изначальные содержания 4 He, D, 3 He и 7 Li в зависимости от содержания космических барионов из стандартных предсказаний BBN. Прогнозы CMB для 7Li (узкие вертикальные полосы, при 95% CL ) и диапазон соответствия BBN D +  4 He (более широкие вертикальные полосы, при 95% CL) должны перекрываться с наблюдаемыми содержаниями легких элементов (желтые прямоугольники), чтобы соответствовать. Это происходит в 4 He и хорошо ограничено в D, но не в случае 7 Li, где наблюдаемые наблюдения Li лежат в 3-4 раза ниже предсказания BBN + WMAP.

Происхождение лития [ править ]

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

Синтез лития в Большом взрыве [ править ]

Нуклеосинтез Большого взрыва произвел как литий-7, так 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 меньших. 7
4Быть
позже распался в результате захвата электрона ( период полураспада 53,22 дня) на7
3Ли
, так что наблюдаемое первичное содержание лития по существу суммирует первичный 7
3Ли
и радиогенный литий от распада7
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, на втором месте гелий-4 - 8%. Другие изотопы, включая 2 H, 3 H, 3 He, 6 Li, 7 Li и 7 Be, встречаются гораздо реже; предполагаемое содержание первичного лития составляет 10 -10 по отношению к водороду. [5] Расчетное содержание и соотношение 1 H и 4 He согласуется с данными наблюдений молодых звезд. [3]

Ветвь PP II [ править ]

Смотрите также: сжигание лития

В звездах литий-7 образуется в протон-протонной цепной реакции .

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

Ветвь PP II доминирует при температурах от 14 до 23 МК .

Стабильные нуклиды первых элементов

Наблюдаемое изобилие лития [ править ]

Несмотря на низкое теоретическое содержание лития, реально наблюдаемое количество меньше расчетного в 3–4 раза. [6] Это контрастирует с наблюдаемым содержанием изотопов водорода ( 1 H и 2 H ) и гелия ( 3 He и 4 He ), которые согласуются с предсказаниями. [1]

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

Кажется, что более старые звезды содержат меньше лития, чем должны, а некоторые более молодые - гораздо больше. [8] Недостаток лития в старых звездах, по-видимому, вызван «смешиванием» лития внутри звезд, где он разрушается, [9] в то время как литий образуется в более молодых звездах. 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 более распространено, чем предсказывают современные вычисления, в звездах более позднего поколения. [10] [11]

Новая Центавра 2013 - первая, в которой были обнаружены доказательства лития. [12]

Литий также содержится в коричневых карликовых субзвездных объектах 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» для различения этих двух, поскольку оба они меньше Солнца. [10] [11] [13]

Меньше лития в звездах типа Солнца с планетами [ править ]

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 из исходных протосолнечных газовых облаков, несмотря на то, что поверхностная конвективная зона не достаточно горячая, чтобы сжигать литий. [15] Предполагается, что гравитационное притяжение планет может усилить взбалтывание поверхности звезды, направляя литий к более горячим ядрам, где происходит горение лития . [14] [15] Отсутствие лития также могло быть способом открытия новых планетных систем. [14]Однако это заявленное соотношение стало предметом спора в сообществе планетарных астрофизиков, часто отрицаемого [16] [17], но также и поддерживаемого. [18] [19]

Более высокое, чем ожидалось, содержание лития в бедных металлами звездах [ править ]

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, в результате чего наблюдается большее количество лития. [10]

Предлагаемые решения [ править ]

Возможные решения делятся на три широких класса.

Астрофизические решения [ править ]

Учитывая возможность того, что предсказания BBN верны, измеренное значение первичного 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 первичного содержания лития - это текущая цель прогресса, и вполне возможно, что окончательный ответ лежит не в астрофизических решениях. [6]

Решения для ядерной физики [ править ]

Если принять во внимание возможность того, что измеренное содержание первичного лития является правильным 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 хорошо определенной физике, 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. Что касается неправильных реакций, основные мысли заключаются в пересмотре ошибок поперечного сечения и стандартных термоядерных скоростей согласно недавним исследованиям. [21] [22]

Во-вторых, начиная с открытия Фредом Хойлом резонанса в углероде-12 , важном факторе тройного альфа-процесса , резонансные реакции, некоторые из которых могли ускользнуть от экспериментального обнаружения или чьи эффекты были недооценены, стали возможными решениями проблемы. литиевая проблема. [23] [24]

Решения, выходящие за рамки Стандартной модели [ править ]

При условии правильного расчета могут потребоваться решения, выходящие за рамки существующей Стандартной модели или стандартной космологии. [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 работающим Большим адронным коллайдером (БАК) большая часть минимальной суперсимметрии находится в пределах досягаемости, что в случае обнаружения произвело бы революцию в физике элементарных частиц и космологии. [6]

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 не так, как мы. 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 космологическом принципе . Однако эта возможность требует большого количества наблюдений, чтобы проверить ее. [25]

В популярной культуре [ править ]

Сообщается, что американский музыкант LiTHiUM THiEF выбрал свое название в качестве шутки для решения космологической проблемы лития, представив себе криптид, который украл литий-7 из молодой Вселенной. [26]

См. Также [ править ]

  • Большой взрыв
  • Ядро гало
  • Изотопы лития
  • Список нерешенных проблем физики
  • Сжигание лития

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Hou, SQ; Он, JJ; Парих, А .; Kahl, D .; Бертулани, Калифорния; Каджино, Т .; Мэтьюз, Г.Дж.; Чжао, Г. (2017). «Неполная статистика по космологической проблеме лития». Астрофизический журнал . 834 (2): 165. arXiv : 1701.04149 . Bibcode : 2017ApJ ... 834..165H . DOI : 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» . Physical Review D . Американское физическое общество (APS). 98 (3): 030001. DOI : 10,1103 / physrevd.98.030001 . ISSN 2470-0010 .  и обновление 2019 года.
  3. ^ а б Ленгмюр, Швейцария; Брокер, WS (2012). Как построить пригодную для жизни планету: история Земли от Большого взрыва до человечества . ISBN 978-0691140063.
  4. ^ Boesgaard, AM; 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 . DOI : 10.1146 / annurev.aa.23.090185.001535 . A86-14507 04–90.
  5. ^ Танабаши, М .; и другие. (2018). «Нуклеосинтез Большого взрыва». In Fields, BD; Molaro, P .; Саркар, С. (ред.). Обзор (PDF) . Physical Review D . 98 . С. 377–382. DOI : 10.1103 / PhysRevD.98.030001 .
  6. ^ Б с д е е полей, BD (2011). «Первобытная литиевая проблема» . Ежегодный обзор ядерной науки и физики элементарных частиц . 61 : 47–68. arXiv : 1203,3551 . Bibcode : 2011ARNPS..61 ... 47F . DOI : 10.1146 / annurev-nucl-102010-130445 .
  7. ^ Stiavelli, М. (2009). От Первого Света к Реионизации Конец Темных Веков . Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH . п. 8. Bibcode : 2009fflr.book ..... S . ISBN 9783527627370.
  8. ↑ Ву, М. (21 февраля 2017 г.). «Космические взрывы, сотворившие Вселенную» . земля . BBC. Архивировано 21 февраля 2017 года . Проверено 21 февраля 2017 года . Загадочная космическая фабрика производит литий. Ученые все ближе подходят к выяснению его происхождения.
  9. Перейти ↑ Cain, F. (16 августа 2006 г.). «Почему в старых звездах не хватает лития» . Архивировано 4 июня 2016 года.
  10. ^ а б в Эмсли, Дж. (2001). Строительные блоки природы . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850341-5.
  11. ^ a b Каин, Ф. «Коричневый карлик» . Вселенная сегодня. Архивировано из оригинального 25 февраля 2011 года . Проверено 17 ноября 2009 года .
  12. ^ «Первое обнаружение лития от взрывающейся звезды» . Архивировано из оригинала на 1 августа 2015 года . Проверено 29 июля 2015 года .
  13. Перейти ↑ Reid, N. (10 марта 2002 г.). «Классификация гномов L» . Архивировано из оригинального 21 мая 2013 года . Проверено 6 марта 2013 года .
  14. ^ a b c Plait, P. (11 ноября 2009 г.). «Хотите планету? Возможно, вы захотите избежать лития» . Откройте для себя .
  15. ^ a b c Израильтянин, G .; и другие. (2009). «Усиленное истощение лития в звездах, подобных Солнцу, с вращающимися вокруг планет». Природа . 462 (7270): 189–191. arXiv : 0911.4198 . Bibcode : 2009Natur.462..189I . DOI : 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 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: нет связи с планетами» . Астрономия и астрофизика . 519 : A87. DOI : 10.1051 / 0004-6361 / 201015137 . ISSN 0004-6361 . 
  17. ^ Рамирес, I .; Fish, JR; и другие. (2012). «Содержание лития в близлежащих карликовых и субгигантских звездах FGK: внутреннее разрушение, химическая эволюция галактик и экзопланеты». Астрофизический журнал . 756 (1): 46. DOI : 10.1088 / 0004-637X / 756/1/46 . ЛВП : 2152/34872 . ISSN 0004-637X . 
  18. ^ Фигейра, П .; Faria, JP; и другие. (2014). «Хозяева экзопланеты обнаруживают истощение запасов лития» . Астрономия и астрофизика . 570 : A21. DOI : 10.1051 / 0004-6361 / 201424218 . ISSN 0004-6361 . 
  19. ^ Дельгадо Мена, E .; Израильский, G .; и другие. (2014). «Истощение лития в солнечных аналогах с экзопланетами» . Астрономия и астрофизика . 562 : A92. DOI : 10.1051 / 0004-6361 / 201321493 . ISSN 0004-6361 . 
  20. ^ Ли, H .; Aoki, W .; Matsuno, T .; Кумар, Й. Бхарат; Shi, J .; Суда, Т .; Zhao, G .; Чжао, Г. (2018). «Огромное усиление Li, предшествующее фазам красных гигантов в маломассивных звездах в гало Млечного Пути». Астрофизический журнал . 852 (2): L31. arXiv : 1801,00090 . Bibcode : 2018ApJ ... 852L..31L . DOI : 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, AS (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. DOI : 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» . Physical Review D . 82 (10): 105005. arXiv : 1008.0848 . DOI : 10.1103 / PhysRevD.82.105005 . ISSN 1550-7998 . 
  23. ^ Hammache, F .; Coc, A .; de Séréville, N .; Стефан, И .; Roussel, P .; Ancelin, S .; 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» . Physical Review C . 88 (6): 062802. arXiv : 1312.0894 . DOI : 10.1103 / PhysRevC.88.062802 . ISSN 0556-2813 . 
  24. ^ О'Мэлли, Полицейский; Бардаян, DW; Adekola, AS; Ahn, S .; Чае, Кентукки; Cizewski, JA ; Graves, S .; Говард, Мэн; Джонс, KL; Козуб Р.Л .; Линдхардт, Л. (октябрь 2011 г.). «Поиски резонансного усиления реакции 7Be + d и изначальных содержаний 7Li» . Physical Review C . 84 (4): 042801. DOI : 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. DOI : 10.1088 / 0004-637X / 716/2/907 . ISSN 0004-637X . 
  26. ^ "LiTHiUM THiEF на Bandcamp" . Bandcamp . Проверено 26 января 2021 года .