Современная космология стоит на трёх китах: расширение Вселенной, реликтовое излучение и первичный нуклеосинтез — и один из этих китов, похоже, серьёзно болен. Мы привыкли доверять учёным, которые с уверенностью рассказывают нам о первых минутах после Большого взрыва, словно сами там присутствовали с секундомером и блокнотом. Космологи десятилетиями убеждали нас, что теория нуклеосинтеза — это триумф человеческого разума, безупречный инструмент для понимания происхождения материи. Но вот незадача: Вселенная, кажется, не читала их учебников и упорно отказывается следовать предписанным ей правилам.
Речь идёт о так называемой литиевой проблеме — одной из самых неудобных загадок современной астрофизики, которую научное сообщество предпочитает обсуждать вполголоса, не привлекая лишнего внимания. Суть проста и одновременно разрушительна: количество лития-7, которое мы наблюдаем в древнейших звёздах нашей галактики, примерно в три раза меньше того, что предсказывает стандартная модель Большого взрыва. Не на пару процентов, не в пределах погрешности — в три раза. Это не мелкая неточность, это пощёчина всей теоретической физике.
Первичный нуклеосинтез — красивая сказка с некрасивым концом
Давайте разберёмся, откуда вообще взялась эта теория и почему физики так за неё держатся. Первичный нуклеосинтез — это процесс образования лёгких химических элементов в первые минуты существования Вселенной, когда космос представлял собой раскалённый бульон из протонов, нейтронов и электронов. Согласно стандартной космологической модели, в интервале примерно от десяти секунд до двадцати минут после Большого взрыва температура и плотность были идеальными для того, чтобы элементарные частицы начали сливаться в атомные ядра.
Теория предсказывает, что в этот короткий период образовались практически весь водород и гелий во Вселенной, а также небольшие количества дейтерия, гелия-3 и того самого злополучного лития-7. Более тяжёлые элементы появились позже, в недрах звёзд и при взрывах сверхновых, но лёгкие — это, так сказать, первородный материал, космическое наследие самого Большого взрыва.
И вот что поразительно: для водорода, гелия и дейтерия теория работает блестяще. Наблюдаемые концентрации этих элементов совпадают с расчётными с точностью, которая заставляет физиков расплываться в самодовольных улыбках. Казалось бы, вот оно — неопровержимое доказательство того, что мы понимаем, как родилась Вселенная. Но литий всё портит. Этот скромный элемент с тремя протонами в ядре словно издевается над нашими теориями, демонстрируя упрямое несоответствие между тем, что должно быть, и тем, что есть на самом деле.
Литий-7 — молчаливый бунтарь периодической таблицы
Когда астрономы начали систематически изучать химический состав старых звёзд — так называемых звёзд гало Млечного Пути, возраст которых приближается к возрасту самой Вселенной — они ожидали найти подтверждение теоретических расчётов. Эти древние светила, сформировавшиеся из практически первозданного материала, должны были сохранить в своих внешних слоях следы первичного нуклеосинтеза, словно палеонтологические артефакты космической истории.
Результаты оказались обескураживающими. Спектральный анализ показал, что содержание лития-7 в этих звёздах составляет лишь около тридцати процентов от теоретически предсказанного значения. Учёные проверяли и перепроверяли данные, использовали разные методики, наблюдали сотни объектов — результат неизменно воспроизводился. Более того, обнаружился загадочный феномен, получивший название плато Спайта: независимо от металличности и других параметров, все старые звёзды демонстрировали примерно одинаковое — и одинаково заниженное — содержание лития.
Это плато само по себе интригует. Если бы дефицит лития объяснялся какими-то астрофизическими процессами в самих звёздах — скажем, перемешиванием или диффузией — мы ожидали бы увидеть разброс значений, зависящий от индивидуальных свойств каждой звезды. Вместо этого наблюдается подозрительное единообразие, словно кто-то заранее установил верхний предел допустимой концентрации. Вселенная будто говорит нам: вот ваш литий, и ни атомом больше.
Масштаб катастрофы
Почему это так важно? Разве не может быть, что мы просто чего-то не учитываем в звёздной физике? Теоретически — да. Практически — всё гораздо сложнее. Дело в том, что стандартная модель Большого взрыва — это не просто красивая гипотеза, а математически строгая теория, параметры которой жёстко связаны между собой. Изменение одного параметра неизбежно влечёт изменения других, и вся конструкция должна оставаться самосогласованной.
Концентрация первичного лития рассчитывается на основе тех же самых исходных данных, что и концентрации водорода, гелия и дейтерия. Эти расчёты опираются на точно измеренную барионную плотность Вселенной, полученную из наблюдений реликтового излучения — того самого древнего света, который дошёл до нас из эпохи, когда Вселенной было всего триста тысяч лет. Реликтовое излучение изучено с феноменальной точностью благодаря космическим обсерваториям вроде спутника Планк, и подогнать параметры под литий, не разрушив согласие с другими наблюдениями, попросту невозможно.
Иными словами, литиевая аномалия — это не изолированная проблема, которую можно решить локальной корректировкой. Это трещина в фундаменте здания, которое мы считали незыблемым. Либо наша модель звёздной эволюции принципиально неверна, либо физика первых минут Вселенной была иной, чем мы думаем, либо — и это самый радикальный вариант — сама стандартная модель космологии нуждается в пересмотре.
Отчаянные попытки спасти теорию
Научное сообщество, разумеется, не сидит сложа руки. За последние десятилетия было предложено множество объяснений литиевой аномалии, от консервативных до откровенно экзотических. Рассмотрим основные направления атак на эту проблему.
Первая линия обороны — астрофизические механизмы. Сторонники этого подхода утверждают, что первоначальный литий никуда не делся, просто звёзды его уничтожили. Литий-7 — довольно хрупкий изотоп, он разрушается при температурах выше двух с половиной миллионов градусов. Если в старых звёздах происходит достаточно интенсивное перемешивание внешних слоёв с более горячими внутренними областями, литий мог постепенно сгореть. Однако модели такого перемешивания никак не могут объяснить наблюдаемое плато Спайта — почему все звёзды потеряли примерно одинаковую долю лития?
Вторая линия — пересмотр ядерной физики. Может быть, скорости ядерных реакций в ранней Вселенной были иными, чем мы измеряем в лабораториях? Может, существуют какие-то резонансные состояния ядер, которые мы упустили? Эксперименты в ускорительных центрах проводятся снова и снова, но пока никаких сюрпризов не обнаружено. Стандартная ядерная физика упорно подтверждает первоначальные расчёты.
Третья, самая радикальная линия — новая физика за пределами Стандартной модели. Здесь фантазия теоретиков разыгрывается не на шутку: распадающиеся частицы тёмной материи, нестабильные отрицательно заряженные частицы, модификации гравитации, переменные фундаментальные константы. Каждая из этих гипотез имеет свои достоинства и недостатки, но ни одна пока не получила экспериментального подтверждения. Мы пытаемся залатать дыру в одной теории с помощью других, ещё более спекулятивных теорий — классический признак научного кризиса.
Философия научного кризиса
Литиевая проблема — это больше, чем техническая неувязка в космологических расчётах. Это урок интеллектуального смирения, напоминание о том, что наши самые изящные теории остаются лишь приближениями к реальности. Мы склонны забывать, что наука — не сборник окончательных истин, а процесс постоянного пересмотра и уточнения.
История физики знает немало примеров, когда упрямые аномалии, не желавшие вписываться в господствующую парадигму, в конечном счёте приводили к революционным открытиям. Проблема излучения абсолютно чёрного тела породила квантовую механику. Аномальная прецессия перигелия Меркурия подтолкнула Эйнштейна к общей теории относительности. Возможно, литиевая аномалия — это предвестник новой физики, контуры которой мы ещё не способны разглядеть.
А возможно, решение окажется прозаичным — какой-нибудь неучтённый астрофизический эффект, который объяснит всё без привлечения экзотики. Но даже в этом случае десятилетия напряжённых исследований не пропадут даром: они покажут, как работает научный метод, как сообщество проверяет и перепроверяет свои предположения, как отбрасывает неработающие гипотезы и генерирует новые.
Сегодняшняя космология напоминает детектив, в котором все улики указывают на известного подозреваемого — стандартную модель — но одна маленькая деталь никак не желает встать на место. Литий-7, скромный элемент номер три в периодической таблице, держит в напряжении тысячи учёных по всему миру и не собирается раскрывать свои секреты без боя.
Вселенная, как выясняется, сложнее наших формул. И это, пожалуй, самая вдохновляющая новость из всех возможных. Потому что если бы космос полностью укладывался в наши уравнения, исследовать было бы уже нечего. А пока существуют загадки вроде литиевой аномалии — у науки есть будущее, у физиков есть работа, а у нас с вами есть надежда узнать что-то принципиально новое о мире, в котором мы живём. Маленький атом с тремя протонами напоминает нам: мы только начинаем понимать, из чего на самом деле сделана эта необъятная, странная, прекрасная Вселенная.