Лишний литий в звездах
Новые технологии готовят новую революцию в космологии
![]() Гигантское шаровое скопление М13 в созвездии Геркулеса. В самом начале 2001 года группа астрофизиков, проводившая наблюдения на 3,5-метровом телескопе WIYN Национальной обсерватории Китт-Пик (США) сообщила об открытии здесь красных гигантов с необычно высоком содержанием лития. Его объясняли особенности звездной эволюции. Фото: N.A.Sharp, REU program/NOAO/AURA/NSF |
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
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 (
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.
![]() Желтый карлик HD 82943 в созвездии Гидры. Аномально высокое содержание редкого изотопа лития-6 в его атмосфере казалось очень странным. В соответствии с теоретическими предсказаниями, он должен был весь «выгореть» еще на ранних стадиях эволюции звезды. Наиболее вероятной гипотезой считается, что литий попал туда при поглощении звездой своих планет. Иллюстрация: Gabi Perez (IAC) |
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
Мартин Асплунд провел спектроскопические исследования химического состава двадцати четырех звезд и зафиксировал в них необычные, в тысячи раз
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 (
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 (
![]() Спектр звезды Арктур в высоком разрешении, полученный в Национальной обсерватории Китт-Пик (США). Черные линии, соответствующие частотам поглощения электромагнитного излучения в атмосфере звезды, представляют собой настоящий «паспорт», по которому можно судить о ее химическом составе. Иллюстрация: N.A.Sharp, NOAO/AURA/NSF |
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 (
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 (
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.
![]() Первичный нуклеосинтез закончился по истечении третьей минуты жизни Вселенной. К этому моменту были «готовы» ядра только самых легких элементов — изотопов водорода, гелия, берилия и лития. А до образования атомов оставался еще миллион лет. Иллюстрация: LLNL |
Ещё одно «суперсимметричное» решение литиевой проблемы предлагает французский физик-теоретик Карстен Едамзик (
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 —
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
И именно об этих приборах заговорил на открытии последнего Международного конгресса
Развитие событий вновь иллюстрирует идею профессора Хелге Крага о той решающей роли, которую «инструментальная техника сыграла в формировании наших представлений о Вселенной в целом».
Борис Булюбаш, 05.09.2008
Новости партнёров