Ελέγχοντας τα στοιχεία που δημιουργήθηκαν στο Big Bang
Μέρος 3ο

Άρθρο, Ιούλιος 2008

1o μέρος, 2o μέρος, 3o μέρος, 4o μέρος

Εξωτική φυσική για το πρόβλημα με το λίθιο

Σήμερα ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της BBN είναι η αναλογία του λιθίου. Για την βαρυονική πυκνότητα που δίνεται από την αποστολή WMAP, η BBN προβλέπει ότι υπάρχουν 4.7 × 10^–10 άτομα λιθίου-7 για κάθε άτομο υδρογόνου, ενώ τα άστρα παρατήρησης του λιθίου με το πλάτωμα Spite (δείτε το 4ο μέρος για την εξήγηση του) περιέχουν μόνο το1.4 × 10^–10. Έχουν προταθεί πολλές εξηγήσεις για το πρόβλημα αυτό, αλλά κανείς δεν γνωρίζει τη σωστή απάντηση. Είτε λείπει από τη θεωρία BBN κάποια σημαντική φυσική διεργασία, δηλαδή κάποιος αστροφυσικός μηχανισμός καταστρέφει μεγάλες ποσότητες λιθίου-7 μετά τη πυρηνογένηση κατά τη Μεγάλη Έκρηξη, ή υπάρχει κάτι λάθος με την αστρική ερμηνεία των φασμάτων.

Για την επίλυση της αναντιστοιχίας του λιθίου, κάποιοι φυσικοί έστρεψαν την προσοχή τους στα μοντέλα της BBN που ενσωματώνουν εξωτικές ιδέες από την σωματιδιακή φυσική. Πολλές θεωρίες που προσπαθούν να ενοποιήσουν τις θεμελιώδεις δυνάμεις στη φύση - με βάση την υπερσυμμετρία ή  σε μοντέλα με επιπλέον διαστάσεις του χώρου - προβλέπουν την ύπαρξη βαρέων σωματιδίων που δεν έχουν ακόμη δοκιμαστεί στο εργαστήριο. Αν τα σωματίδια αυτά ήταν ασταθή και διασπάστηκαν μέσα σε ένα χρόνο μετά τη BBN, αυτό ενδέχεται να έχει επιδράσει αρκετά πάνω στις πυρηνικές αναλογίες που δίνουν νετρόνια, πρωτόνια και ενέργεια για ένα δεύτερο γύρο της πυρηνοσύνθεσης εμπλέκοντας διάφορες αντιδράσεις σε πολύ υψηλότερη ενέργεια.

Το 2006 ο Jonathan Feng του πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Irvine πρότεινε ένα τέτοιο μοντέλο το οποίο "κανονικά" υπερσυμμετρικά σωματίδια, όπως νετραλίνα (οι υπερσυμμετρικοί εταίροι των σωματιδίων που μεταφέρουν τη δύναμη, σαν τα φωτόνια και τα μποζόνια Z) διασπώνται σε μια μορφή σωματιδίων που λέγονται superWIMPs, που μπορούν να αποτελούν τη σημερινή σκοτεινή ύλη. Αλλά είναι δυνατό να υπάρχουν πολλές παραλλαγές εφόσον οι διασπάσεις περιλαμβάνουν πρωτόνια, νετρόνια και φωτόνια. Τα ενεργητικά σωματίδια που δημιουργούνται κατά τις διασπάσεις των σωματιδίων αλληλεπιδρούν με τους πυρήνες της BBN , που δημιουργήθηκαν μήνες νωρίτερα. Με αυτόν τον τρόπο, σωματίδια με κατάλληλη μάζα και κατάλληλες ιδιότητες της διάσπασης μπορούν να καταστρέψουν τα 2/3 του βηρύλλιου-7 που παράγονται ενδιάμεσα κατά τη BBN, και επειδή το βηρύλλιο-7 διασπάται μετά τη BBN για να παράγει το πρωταρχικό λίθιο-7, η πρόταση του Feng  θα μπορούσε να αποτελέσει μια θαυμάσια λύση για το έλλειμμα του λιθίου.

Η ελπίδα που κρύβουν τέτοια εξωτικά μοντέλα της σωματιδιακής φυσικής είναι ότι, το πρόβλημα του λιθίου θα μπορούσε να δώσει το πρώτο σημάδι για κάποια νέα θεμελιώδη φυσική. Μελέτες της BBN θα μπορούσαν στη συνέχεια να οδηγήσουν σε πειράματα σε επιταχυντές, όπως ο Μεγάλος Συγκρουστής Αδρονίων στο CERN. Δυστυχώς, η BBN δεν προσφέρει επαρκείς πληροφορίες για το τι έγινε σίγουρα, εκτός του ότι οριοθετεί τι είναι δυνατό και τι είναι αδύνατο. Πράγματι, οι περισσότεροι ερευνητές στον τομέα των ποσοτήτων των ελαφρών στοιχείων θα μπορούσαν πιθανότατα να ευνοήσουν περισσότερες κοσμικές λύσεις για το πρόβλημα του λιθίου, ακόμη και αν αυτές οι λύσεις είναι λιγότερο ενδιαφέρουσες για τους φυσικούς σωματιδίων.

Απαντήσεις από την Αστροφυσική

Για παράδειγμα το 2004 οι Jorge Meléndez και Iván Ramírez ισχυρίστηκαν ότι τα μοντέλα για τα άστρα με το πλάτωμα Spite στηρίζονται σε κακές εκτιμήσεις για την επιφανειακή θερμοκρασία των άστρων, και προτείνουν μια σοβαρή αλλαγή της κλίμακας αυτών των εκτιμήσεων προς την κατεύθυνση της συμφωνίας της ποσότητας του λιθίου με τα δεδομένα της αποστολής WMAP. Η πρόταση αυτή αντιμετωπίστηκε με πολύ σκεπτικισμό από τους συναδέλφους, κυρίως επειδή αυτή η αλλαγή της κλίμακας οδηγεί σε θερμοκρασίες που διαφωνούν με άλλες μετρήσεις, όπως είναι οι εντάσεις των γραμμών εκπομπής του υδρογόνου. Σε κάθε περίπτωση, η αλλαγή της κλίμακας στην καλύτερη περίπτωση μπορεί να είναι μια μερική λύση μόνο στο πρόβλημα του λιθίου, δεδομένου ότι ανεβάζει τις ποσότητες του λιθίου κατά ένα συντελεστή 1,4 - κι όχι κατά 3 που απαιτείται.

Ίσως η πιο πιθανή εξήγηση για την φαινόμενη έλλειψη του λιθίου είναι ότι τα άστρα που παρατηρούμε έχουν σταδιακά καταστρέψει το λίθιο τους τα 10 δισεκατομμύρια έτη ή και περισσότερο από τότε που σχηματίστηκαν. Οι αστρονόμοι μπορούν να παρατηρήσουν μόνο το έξω τμήμα ενός αστέρα - το πάνω μέρος του στρώματος μεταγωγής. Ωστόσο, οποιοδήποτε λίθιο σε ένα αστέρι που είναι εκτεθειμένο σε θερμοκρασίες άνω των, περίπου, 2.5 × 10⁶ K το λίθιο γρήγορα καταστρέφεται από την πυρηνική αντίδραση ⁷Li + H --> 2 ⁴He. Ως εκ τούτου, το λίθιο μπορεί να διαφυλαχθεί πλήρως μόνο στο στρώμα μεταγωγής, αν όλο το στρώμα είναι πολύ ψυχρό για να γίνει σύντηξη, και ταυτόχρονα αν το λίθιο δεν είναι αναμεμειγμένα μεταξύ της επιφάνειας και του βαθύτερου, πιο καυτού στρώματος, του αστεριού. Αν και τα άστρα με το πλάτωμα Spite έχουν επιλεγεί να πληρούν αυτά τα κριτήρια, μπορεί να υπάρχει απρόσμενη εξέλιξη στις διεργασίες στο εσωτερικό τους.

Αλλά πώς θα μπορούσε το λίθιο στην επιφάνεια ενός αστέρα να βρεθεί από την επιφάνεια στο εσωτερικό του άστρου; Είναι γνωστοί διάφοροι μηχανισμοί που θα μπορούσαν δυνητικά να αναμείξουν τα τμήματα μεταγωγής και τα μη μεταγωγής τμήματα του άστρου, αλλά είναι δύσκολο να υπολογισθούν οι ρυθμοί αυτών των διαδικασιών.

Το 2006, ο Martin Asplund και οι συνεργάτες του στο Παρατηρητήριο Mount Stromlo στην Αυστραλία έκαναν εκτεταμένες παρατηρήσεις του λιθίου-6 στα άστρα με το πλάτωμα χρησιμοποιώντας το VLT. Σε καθένα από τα εννέα άστρα όπου βρέθηκε λίθιο-6, περίπου το 5% του λιθίου αποτελείτο από αυτό το ισότοπο - που ήταν μεγαλύτερη από την αναμενόμενη ποσότητα, αν και μέσα στο όριο αυτού που ήταν ανιχνεύσιμο με τον εξοπλισμό αυτό. Το γεγονός αυτό έχει τεράστιες επιπτώσεις όχι μόνο για την πυρηνοσύνθεση BBN, αλλά και για την ιστορία των κοσμικών ακτίνων στον Γαλαξία μας και για την αστρική αστροφυσική. Για παράδειγμα, η παραγωγή τέτοιων μεγάλων ποσών του λιθίου-6 απαιτείται να έχει μια τεράστια ροή των κοσμικών ακτίνων νωρίς στην ιστορία του Γαλαξία μας, ίσως περισσότερο απ' ό,τι θα μπορούσαν να προβλεφτεί από γνωστούς μηχανισμούς επιτάχυνσης. Επιπλέον, αν τα άστρα με το πλάτωμα έχουν πραγματικά καταστρέψει αρκετό λίθιο-7, για να φέρουν την πρόβλεψη του WMAP για τη μέση πυκνότητας των βαρυονίων σε συμφωνία με αυτό που παρατηρήθηκε στα άστρα με το πλάτωμα, η μεγαλύτερη ευθραυστότητα του λιθίου-6 συνεπάγεται ότι τα άστρα αρχικά είχαν λίθιο-6 σε ποσότητες συγκρίσιμες με τις παρατηρούμενες στα άστρα με το πλάτωμα του λιθίου-7.

Η διαφωνία για την αναλογία του λίθιου

Σε μια σειρά από ανακοινώσεις, που δημοσιεύτηκαν μεταξύ του 2002 και του 2004, ο Richard Olivier στο Πανεπιστήμιο του Μόντρεαλ πρότεινε μια τέτοια ανάμειξη μοντέλων που από τότε έχει υποστηριχθεί από παρατηρήσεις. Ειδικότερα προτείνει ότι όλοι οι πυρήνες που είναι βαρύτεροι από το υδρογόνο βουλιάζουν πολύ αργά μακριά από το στρώμα μεταγωγής των άστρων λόγω της δράσης της βαρύτητας. Και το μοντέλο αυτό κάνει συγκεκριμένες προβλέψεις για το τι συμβαίνει καθώς εξελίσσεται το άστρο.

Δεξιά: Για να μετρηθεί η ποσότητα του λιθίου που παράγεται κατά τη διάρκεια της νουκλεοσύνθεσης του Big Bang (BBN), οι ερευνητές παρατηρούν τα πολύ παλιά, χημικώς πρωτόγονα, αστέρια που σχηματίστηκαν από σχεδόν το πρωταρχικό αέριο του σύμπαντος. Ωστόσο, η ποσότητα του λιθίου σε αυτά τα αστέρια με την σχεδόν ίδια ποσότητα του λιθίου (με πράσινο χρώμα στην εικόνα, και επειδή σχηματίζουν ένα πλάτωμα  γι αυτό ονομάζονται άστρα με πλάτωμα Spite από αυτούς που το ανακάλυψαν) είναι πολύ μικρότερη από αυτό που έχει συναχθεί από το συνδυασμό της BBN με τις μετρήσεις της Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου από την αποστολή WMAP (κίτρινη ζώνη).

Η αναντιστοιχία αυτή οδήγησε ορισμένους ερευνητές στο ερώτημα κατά πόσον μπορεί να φταίει οι γνώσεις μας για την αστροφυσική των άστρων. Για παράδειγμα, μία πρόταση υποδεικνύει ότι κάποια ποσότητα του λιθίου-7 έχει καταστραφεί λόγω της ανάμειξης ή διαδικασιών διάχυσης. Τα εν λόγω αστέρια - που έχουν επιφανειακές θερμοκρασίες μεταξύ 5.700 και 6.400 Κ - έχουν ομοιόμορφη αναλογία του λιθίου, επειδή τα αβαθή στρώματα μεταγωγής σε αυτά τα καυτά αστέρια, δεν διεισδύουν σε βάθη τέτοια, όπου η θερμοκρασία να υπερβαίνει τη θερμοκρασία καταστροφής του λιθίου-7 (T_destruct ~ 2.5 × 10⁶ K). Αν τα επιφανειακά στρώματα με το λίθιο σταδιακά βυθιστούν στο εσωτερικό των άστρων, όπου η θερμοκρασία τους  Τ είναι μεγαλύτερη από  T_destruct, τότε οι επιφάνειες αυτών των άστρων μπορούν σιγά-σιγά να χάσουν το λίθιο τους.

Την άνοιξη του 2006, ο Andreas Korn στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα χρησιμοποίησε το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο (VLT) στη Χιλή, για τη μελέτη 18 χημικώς πρωτόγονα άστρα σε ένα μακρινό σφαιρωτό σμήνος, το NGC 6397, και που ήταν γνωστό ότι έχουν την ίδια ηλικία και την ίδια αρχική σύνθεση. Από αυτές τις παρατηρήσεις οι ερευνητές έδειξαν ότι οι αναλογίες του σίδηρου και το λίθιου σε αυτά τα άστρα, διέφεραν ανάλογα με την αστρική μάζα όπως προβλέπεται από το μοντέλο του Richard Olivier. Στην πραγματικότητα, το μοντέλο αναφέρεται ότι τα παρατηρούμενα άστρα ξεκίνησαν με μια ποσότητα του λιθίου που συμφωνεί με τα δεδομένα της αποστολής WMAP. Η επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων αυτών είναι ζωτικής σημασίας επειδή εάν το αποτέλεσμα αντέχει σε έλεγχο που να βασίζεται σε ένα ευρύ φάσμα δεδομένων, τότε λύσαμε το πρόβλημα του λιθίου.

Ψάχνοντας για το λίθιο-6

Ένας άλλος τρόπος για να προσδιοριστεί η ποσότητα του λιθίου-7 που καταστρέφεται στα άστρα είναι να παρατηρήσουμε τα άλλα ισότοπα του λιθίου, τα λιγότερο σταθερά, το λίθιο-6. Το λίθιο-6 δεν φτιάχνεται σε ανιχνεύσιμες ποσότητες από τη BBN αλλά, αντίθετα, προέρχεται από συγκρούσεις μεταξύ των πυρήνων στις κοσμικές ακτίνες και στο διαστρικό αέριο. Επειδή το λίθιο-6 είναι ακόμη πιο εύκολα να καταστραφεί (διασπαστεί) από το λίθιο-7, ο εντοπισμός του μας επιτρέπει να θέσουμε όρια για την καταστροφή του λιθίου-7.

Το 2006, ο Martin Asplund στο Παρατηρητήριο του Mount Stromlo στην Αυστραλία έκανε εκτεταμένες παρατηρήσεις του λιθίου-6 σε άστρα με πλάτωμα Spite χρησιμοποιώντας το VLT. Στο καθένα από τα εννέα άστρα όπου βρέθηκε λίθιο-6, περίπου το 5% του συνολικού λιθίου αποτελείτο από το ισότοπο λίθιο-6 - που ήταν μεγαλύτερο από αυτό που αναμενόταν (αν και ήταν στο όριο με τον εξοπλισμό που χρησιμοποιήθηκε). Το γεγονός αυτό έχει τεράστιες επιπτώσεις όχι μόνο για τη BBN, αλλά και για την ιστορία των κοσμικών ακτίνων στον Γαλαξία μας και για την αστρική αστροφυσική. Για παράδειγμα, η παραγωγή τέτοιων μεγάλων ποσών του λιθίου-6 πρέπει να απαιτεί μια τεράστια ροή κοσμικών ακτίνων πολύ νωρίς στην ιστορία του Γαλαξία μας, ίσως περισσότερο απ' ό,τι θα μπορούσαν να είχαν παρασχεθεί από τους γνωστούς μηχανισμούς επιτάχυνσης των σωματιδίων. Επιπλέον, αν τα άστρα με πλάτωμα έχουν πραγματικά καταστρέψει αρκετό λίθιο-7 για να φέρει την πρόβλεψη της αποστολής WMAP για τη μέση βαρυονική πυκνότητα, σε συμφωνία με αυτό που παρατηρήθηκε στα άστρα με πλάτωμα Spite, η μεγαλύτερη ευκολία καταστροφής του λιθίου-6 συνεπάγεται ότι τα άστρα αρχικά είχαν λίθιο-6 σε ποσότητες συγκρίσιμες με τις παρατηρούμενες στο πλάτωμα του λιθίου-7.

Όλα αυτά τα γεγονότα κάνουν τις παρατηρήσεις του λιθίου-6 να μην ταιριάζει ατυχώς με τη BBN, την αστρική Φυσική και τα μοντέλα της πυρηνοσύνθεσης των κοσμικών ακτίνων - ιδιαίτερα επειδή η παραγωγή μεγάλων ποσών του λιθίου-6 μέσω των κοσμικών ακτίνων, πρέπει να συνοδεύεται από ανάλογη παραγωγή του λιθίου -7. Αν και το λίθιο-6 μπορεί να παραχθεί σε κάποια σενάρια της εξωτικής σωματιδιακής φυσικής, που αναφέρθηκαν παραπάνω, είναι ζωτικής σημασίας ότι μια ομάδα υπό τον Kenneth Nollett επιβεβαίωσε με ανεξάρτητο τρόπο τα αποτελέσματα του Asplund για το λίθιο-6. Πράγματι, το κυνήγι για το πρωταρχικό λίθιο (και για τα δύο ισότοπα) είναι σε εξέλιξη επί του παρόντος στο VLT, καθώς και στο παρατηρητήριο Keck και το ιαπωνικό τηλεσκόπιο Subaru, και τα δύο στη Χαβάη. Μολονότι οι εν λόγω παρατηρήσεις έχουν δίκιο στα όρια του τι μπορεί να επιτευχθεί με αυτά τα μέσα, το αντίτιμο θα μπορούσε να είναι τεράστιο: αν τα αποτελέσματα του λίθιου-6 στέκουν, θα απαιτηθεί μια εκτεταμένη επανεξέταση του τι νομίζουμε ότι ξέρουμε σχετικά με τα άστρα, τις κοσμικές ακτίνες και την BBN.

1o μέρος, 2o μέρος, 3o μέρος, 4o μέρος