Существует значительное расхождение между теоретическим и наблюдаемым количеством лития во Вселенной. Эта проблема известна как космологическая проблема лития, которая беспокоит космологов на протяжении десятилетий. Теперь ученые сообщают, что они уменьшили это несоответствие примерно на 10% благодаря новому эксперименту с ядерными процессами, ответственными за образование лития. Это исследование может проложить путь к более полному пониманию ранней Вселенной.
Известная поговорка гласит: "теоретически теория и практика - одно и то же. На практике это не так". Это применимо практически ко всем областям знаний, но особенно часто встречается в космологии, понимаемой как наука об изучении Вселенной в целом. В космологии часто бывает так, что то, что мы должны видеть, и то, что видим на самом деле, просто несовместимо. Это большая проблема для ученых, потому что многие космологические явления трудно изучать из-за их недоступности. Эти явления обычно недоступны для нас из-за огромных расстояний и временных масштабов, которые в них происходят. Большинство из них произошло еще до того, как человеческий разум смог с ними справиться. Особенно это касается Большого взрыва.
Сейя Хаякава и Хидетоши Ямагути из Центра ядерных исследований Токийского университета и их международная команда особенно заинтересованы в одной конкретной области космологии, где теория и наблюдения явно расходятся. Их беспокоит проблема отсутствия лития, известная уже много лет. Что это значит? Короче говоря, современные ведущие космологические теории предсказывают, что через несколько минут после Большого взрыва содержание лития должно было стать примерно в три раза больше, чем то, что мы на самом деле наблюдаем для этого элементарного элемента сегодня. Однако Хаякава и его команда, возможно, недавно прояснили хотя бы часть этого несоответствия и, кроме того, подготовили почву для исследований, которые однажды могут полностью решить загадку.
13,7 миллиарда лет назад, когда материя только зарождалась после первого Большого взрыва, так называемые легкие элементы - водород, гелий, литий и бериллий - образовывались в процессе, который мы называем нуклеосинтезом. Но нуклеосинтез - это не простая цепочка событий, в которой одно превращается в следующее в результате простого и последовательного преобразования. Это довольно сложная сеть процессов, посредством которых смесь протонов и нейтронов строит атомные ядра, а затем некоторые из них распадаются на другие ядра. Например, обилие одной формы лития - изотоп лития-7 - образуется в основном в результате образования и распада изотопа бериллия-7.
Однако все, кажется, указывает на то, что либо количество этого конкретного изотопа лития было завышено теоретически, либо не наблюдалось должным образом в действительности, либо произошло сочетание того и другого. Чтобы решить эту загадку, нужно сначала понять, что именно тогда произошло (то есть давным-давно).
Литий-7 - самый распространенный изотоп лития, составляющий 92,5% всех наблюдаемых изотопов этого элемента. Однако, несмотря на то, что принятые модели нуклеосинтеза предсказывают относительные количества всех элементов с большой точностью и, как наблюдают, ожидаемое количество лития-7 (указанное ими) примерно в три раза больше, чем реально наблюдаемое во Вселенной. Это означает, что есть определенный (довольно большой) пробел в наших знаниях об эволюции очень ранней Вселенной. Существует несколько теоретических и наблюдательных подходов к решению проблемы недостающего лития. Хаякава и его команда решили смоделировать условия первичного нуклеосинтеза с помощью пучков частиц, детекторов и метода наблюдений, известного как "троянский конь".
Мы лучше, чем когда-либо, изучили одну из реакций нуклеосинтеза, в которой бериллий-7 и нейтрон распадаются на литий-7 и протон.
По словам Хаякавы, полученные уровни содержания лития-7 были немного ниже, чем ожидалось, примерно на 10% .
Эту реакцию очень сложно наблюдать, потому что бериллий-7 и нейтроны нестабильны. Мы использовали дейтрон, ядро водорода с дополнительным нейтроном, как своего рода "сосуд", чтобы переправить нейтрон в пучок бериллия-7, не нарушая его самого. Это уникальная техника, разработанная итальянской группой, с которой мы работаем, в которой дейтрон похож на троянского коня из греческого мифа, а нейтрон - это солдат, крадущийся в неприступный город Трою, не замечая охранников (то есть, говоря научным языком, без дестабилизации всей выборки). Благодаря этому новому результату эксперимента мы можем предложить будущим исследователям в области теоретической физики некоторое облегчение в попытках разгадать тайну пропавшего лития, - добавляет космолог.
Таким образом, загадку еще предстоит разгадать.
Больше информации:
- Оригинальная научная публикация: С. Хаякава и др., Constraining the Primordial Lithium Abundance: New Cross-Section Measurement of the 7Be + n Reactions Updates the Total 7Be Destruction Rate, Astrophysical Journal Letters: 1 июля 2021 г.