Лишний литий в звездах

По мере того как в распоряжении астрофизиков оказываются все новые и все более мощные исследовательские инструменты, сами астрофизики получают возможность проводить весьма детальный химический состав далеких звезд . А как только оказывается возможным последнее, тут же выясняется, что относительное содержание элементов в звездах отнюдь не соответствует предсказаниям теории . Главные неприятности подобного рода относятся к легким элементам — прежде всего, к литию. Впервые эти аномалии обнаружились ещё в 90-е годы, но новые данные все больше указывают на необходимость пересмотра базовых теоретических концепций.

Одним из наиболее важных параметров современных космологических теорий служит количество барионов (протонов и нейтронов), приходившихся на один фотон. Именно он определяет, как идет процесс образования изотопов водорода и гелия в ранней Вселенной . Этот процесс, называемый первичным нуклеосинтезом, начался спустя одну секунду после Большого взрыва , закончился на двухсотой. Лишь немного отстает от него нуклеосинтез лития и бериллия, причем литий большей частью присутствует во Вселенной в виде изотопа 7Li, и частично — в виде изотопа 6Li. Весьма существенно, что на этом собственно первичный нуклеосинтез заканчивается: элементы тяжелее лития образуются уже в ходе термоядерных реакций в звездах.

Радикальный прогресс в представлениях об устройстве Вселенной был достигнут с «выходом» астрономических наблюдений за пределы видимого спектра, с созданием рентгеновских и инфракрасных телескопов, а также с информацией, которая появилась у астрономов после запуска первых орбитальных телескопов. Однако не следует забывать и о постоянном совершенствовании более традиционных средств изучения космоса: зеркальных телескопах и телескопах-рефракторах, о прогрессе в методах обработки информации. Большим событием для космологии стал запуск зондов для изучения флуктуаций реликтового фона. В первую очередь — это исследовательский зонд космического фона COBE (Cosmic Background Explorer) и зонд микроволновой анизотропии им. Вилкинсона WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).

До запуска зондов COBE и WMAP именно информация о распространенности легких элементов в окружающей нас Вселенной (в первую очередь, изотопа водорода дейтерия) давала возможность количественно оценить соотношение между фотонами и барионами. Теперь же ситуация в некотором смысле стала обратной. Располагая существенно более надежной информацией об этом соотношении, космологи внесли коррективы в теорию первичного нуклеосинтеза и уточнили её выводы относительно распространенности в космосе легких элементов.

Согласно этим уточнениям, на каждый миллион атомов водорода (Н) должно приходиться приблизительно 80 000 атомов гелия (4He), несколько десятков атомов дейтерия (2Н) и изотопа гелия 3He, а также одна десятитысячная атома изотопа 7Li (иначе говоря, на один атом 7Li приходится десять миллиардов атомов водорода!). Вот тут-то и начинаются расхождения наблюдений с теорией!

Наблюдаемый уровень распространенности дейтерия вполне согласуется с теорией нуклеосинтеза. В отношении изотопов гелия ситуация несколько хуже, однако и здесь расчеты примерно соответствуют наблюдениям. Иначе обстоит дело с литием: теория нуклеосинтеза предсказывает втрое большее количество изотопа 7Li во Вселенной, чем следует из наблюдений. И если в начале 2000-х годов была надежда объяснить аномалии в содержании изотопов лития в звездах поглощением ими своих массивных спутников, то два года назад, после публикации статьи Мартина Асплунда (Martin Asplund) и его сотрудников из Астрофизического института Общества им. Макса Планка (Max-Planck-Institut für Astrophysik) в Астрофизическом журнале (Astrophysical Journal), стало окончательно ясно, что простыми объяснениями дело не ограничится.

Мартин Асплунд провел спектроскопические исследования химического состава двадцати четырех звезд и зафиксировал в них необычные, в тысячи раз большие количества изотопа 6Li, нежели предсказывает теория нуклеосинтеза. Космологи посчитали «литиевую проблему» весьма серьезной, поскольку именно согласие между теорией нуклеосинтеза и данными о распространенности легких элементов считалось важнейшим аргументом в пользу нарисованной ими картины эволюции Вселенной и, соответственно, в пользу самой теории нуклеосинтеза. «Если проблема с литием действительно существует и астрофизикам так и не удастся её объяснить, то ситуацию придется признать весьма печальной», — приводит слова профессора университета штата Огайо (Ohio State University) Гэри Стейгмана (Gary Steigman) журнал New Scientist. Впрочем, справедливости ради надо отметить, что тот же самый Стейгман ещё десять лет назад на страницах того же самого журнала предсказывал «кризис в космологии» на основании расхождения на пять порядков в наблюдаемом и теоретическом содержании дейтерия. Со временем расхождение как-то «само собой» рассосалось, и кризис был избегнут.

Так и сейчас далеко не все физики видят необходимость из-за «литиевой проблемы» пересматривать теорию первичного нуклеосинтеза. Они напоминают, что значительная часть ядер лития возникла не в первые минуты существования Вселенной, а значительно позже, в ходе эволюции звезд, а также при столкновениях частиц космических лучей с частицами межзвездного газа. Такую точку зрения подтверждают и результаты, полученные в 2006 году группой Андреаса Корна (Andreas Korn) из университета Упсалы в Швеции . Используя данные, полученные в Южной европейской обсерватории в Паранале (Чили ), Корн исследовал химический состав восемнадцати звезд, находящихся на разных стадиях своей эволюции. В итоге он пришел к выводу, что в ходе конвекционных процессов в звездах значительная часть атомов лития распадается. Команда Корна рассчитывает уже в этом году проверить полученные результаты в наблюдениях с помощью гавайского телескопа Keck.

Всесторонний анализ литиевой проблемы предполагает также всестороннюю проверку наблюдений самого Асплунда, у которого, кстати, на анализ полученных им данных ушло целых пять лет. Это было связано, в частности, с тем, что в звездных спектрах линия 6Li перекрывается в 20 раз более интенсивной спектральной линией 7Li. «Следует признать, что адекватного объяснения проблемы 6Li в настоящее время не существует», — говорит Роже Кейрель (Roger Cayrel) из Парижской обсерватории (L'Observatoire de Paris). Недавно он вместе с несколькими коллегами поставил под сомнение результаты Аспалунда и предпринял тщательное исследование спектра одиночной звезды.

В то же время Асплунд и сам перепроверяет полученные им результаты. Недавно, используя тот же телескоп Keck, он провел исследования химического состава ещё десяти звезд; предварительные результаты позволяют предполагать даже больший избыток 6Li, нежели предполагалось ранее. В настоящее время группа Асплунда анализирует результаты выполненных наблюдений и рассчитывает ещё в этом году представить для публикации новую статью по этой теме.

Не дожидаясь решения вопроса о реальности «литиевой проблемы», в её обсуждение активно включились теоретики. Так, космолог Джозеф Силк (Joseph Silk) из Оксфордского университета (University of Oxford) убежден, что поиски решения «проблемы лития» приведут к созданию новой теории элементарных частиц. «Я не могу поверить, что эта проблема связана исключительно с физикой звезд», — приводит его слова журнал New Scientist. Большинство идей, которые высказывают теоретики, основано на теории суперсимметрии . Эта теория предполагает отказ от принятой в физике элементарных частиц Стандартной модели ; одной из основных «суперсимметричных» идей является концепция существования у всех элементарных частиц «частиц-партнеров» большой массы.

Анализ литиевой проблемы с «суперсимметричной» точки зрения позволяет снять с повестки дня и вопрос о недостатке 7Li, и вопрос об избыточном количестве 6Li. Теоретик Максим Поспелов из канадского Института теоретической физики в Ватерлоо (Perimeter Institute in Waterloo) полагает, что «литиевую проблему» можно решить в рамках суперсимметричной теории элементарных частиц. В её рамках недостаток 7Li по отношению к 6Li может быть следствием существования частиц стау (staus) — тяжелых суперпартнеров тау-лептонов. Действительно, в теории нуклеосинтеза появление лития объясняется соединением ядра 7Be с нейтроном, в результате чего возникает ядро 7Li и испускается протон. А частица стау будет образовывать связанные состояния вместе с ядром 7Be. Такие связанные состояния будут захватывать протоны; образующееся в итоге гибридное состояние ядра 8Be и одного стау распадается на два ядра 4He. Таким образом, в теории суперсимметрии исчезает та реакция нуклеосинтеза, которая ответственна за появление во Вселенной атомов лития.

Та же гипотеза позволяет объяснить и высокий уровень распространенности изотопа 6Li. Дело в том, что через три часа после Большого взрыва она предсказывает возникновение связанного состояния частиц стау с ядрами изотопа 4He. Такое связанное состояние могло в десятки тысяч раз более эффективно вступать в реакцию синтеза с участием дейтерия и образовывать 6Li.

Ещё одно «суперсимметричное» решение литиевой проблемы предлагает французский физик-теоретик Карстен Едамзик (Karsten Jedamzik) из университета Монпелье (Université de Montpellier II) во Франции . Согласно его расчетам, теория суперсимметрии допускает существенно более раннее во времени (по сравнению с теорией нуклеосинтеза) образование ядер 7Li. Между тем, «ранние» ядра обречены на быстрое разрушение, поскольку температура Вселенной тем выше, чем меньше её возраст.

Главная сложность подобных объяснений в том, что теория суперсимметрии не имеет пока экспериментального подтверждения. Поэтому Андреас Корн, к примеру, считает более правдоподобными те объяснения «литиевой проблемы», которые основываются на анализе происходящего в недрах звезд. В целом же проблема с литием ставит космологию перед непростым выбором: либо признать недостаточный уровень собственного понимания физики звезд, либо отказаться от Стандартной модели. Пока же космологи с нетерпением ждут запуска Большого адронного коллайдера — «самой сложной установки, когда-либо построенной человеком» — и вместе с ним подтверждения (или не подтверждения) теории суперсимметрии.

Со времени своего возникновения в начале ХХ века космология продолжает оставаться необычайно популярной областью знаний. В то же время, по выражению известного американского научного журналиста Джона Хоргана (John Horgan), это наука, «которую нельзя эмпирически протестировать или решить её задачи в принципе». Он считает, что главная задача космологии — «держать нас в благоговении перед тайной космоса». И действительно, лексика космологов нередко напоминает лексику фантастического романа: раздувающаяся Вселенная, червоточины пространства-времени, черные дыры, темная материя и темная энергия… Значительно реже рассказывается о тех приборах, с помощью которых космологи «наблюдают» Вселенную, отыскивая все новые и новые подтверждения своих фантастических идей.

И именно об этих приборах заговорил на открытии последнего Международного конгресса ICOHTEC профессор Орхусского университета (University of Aarhus) в Дании Хелге Краг (Helge Kragh), именно в истории космологии увидевший впечатляющую иллюстрацию влияния инструментальной техники на развитие фундаментальной науки. Открытием реликтового излучения — одного из своих важнейших открытий прошлого века, ставшего центральным моментом в общем принятии горячей модели Вселенной — космология обязана радиотелескопу, массовое использование которого в астрономии началось после Второй мировой войны. Следующей революции в космологии предшествует одновременное создание орбитальных обсерваторий и наземных мощных ускорителей.

Развитие событий вновь иллюстрирует идею профессора Хелге Крага о той решающей роли, которую «инструментальная техника сыграла в формировании наших представлений о Вселенной в целом».