Ελέγχοντας τα στοιχεία που δημιουργήθηκαν στο Big Bang
Μέρος 4ο

Άρθρο, Ιούλιος 2008

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

Παράθυρο στο πρώιμο σύμπαν

Καλύτερες μετρήσεις των πρώιμων ποσοτήτων σε συνδυασμό με τα ακριβή κοσμολογικά δεδομένα μας οδηγούν στο συμπέρασμα (με ένα εύρος λάθους περίπου 10%) ότι οι ποσότητες του ηλίου-4, του δευτερίου και του λιθίου-7 διαφωνούν με τη θεωρία της πυρηνοσύνθεσης κατά το Big Bang (BBN). Αλλά πρόσθετες αβεβαιότητες, όπως αυτές προκύπτουν από την άγνοια ορισμένων αστροφυσικών περιβαλλόντων, οι μετρήσεις μας λένε τελικά ότι η BBN είναι σωστή.

Καθήκον μας τώρα είναι να διορθώσουμε αυτή η άγνοια και, αν εξακολουθούν να υφίστανται αποκλίσεις, να καταλάβουμε τι σημαίνει αυτό για τη φυσική του πρώιμου σύμπαντος. Ακόμη και αν το πρόβλημα του λιθίου αποδειχθεί ότι είναι ένα πρώιμο σημάδι νέων σωματιδίων ή άλλης θεμελιώδους φυσικής, η οριστική απάντηση θα εξακολουθεί να εξαρτάται από την καλύτερη κατανόηση των άστρων με το πλάτωμα Spite. Με άλλα λόγια, θα ήταν φρόνιμο να εξαντλήσουμε όλες τις αστροφυσικές εξηγήσεις πριν από την αναμόρφωση της BBN που να βασίζεται σε μια ακόμη άγνωστη θεμελιώδη φυσική.

Για περίπου τρεις δεκαετίες η BBN ήταν ο άξονας στο επιχείρημα για τη μη βαρυονική σκοτεινή ύλη στο Σύμπαν. Παραμένει για μας το πιο καθαρό παράθυρο του σύμπαντος για εποχές λιγότερο από έναν χρόνο μετά το Big Bang και - με τη μέτρηση της βαρυονικής πυκνότητας - μια σημαντική διασταύρωση των κοσμολογικών δεδομένων, που παρέχονται τόσο από το μικροκυματικό κοσμικό υπόβαθρο όσο και από έρευνες της κατανομής των γαλαξιών. Ωστόσο, τώρα που το κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο μας έχει δώσει πιο ακριβή μετρήσεις της μέσης βαρυονικής πυκνότητας από ότι η BBN, κάτι που οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στην αποστολή WMAP, ο ρόλος της BBN στην αστροφυσική αλλάζει.

Η νέα κατάσταση έχει αυξήσει τον αριθμό των περιορισμών στην BBN, βελτιώνοντας ενδεχομένως την ισχύ της ως ένα τεστ των μοντέλων της σωματιδιακής φυσικής. Πράγματι, το πρώτο τεστ για οποιαδήποτε επέκταση στο Στάνταρτ Μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων είναι ότι διατηρείται η ακόμα ελλιπής επιτυχία της BBN. Στα επόμενα χρόνια, με τα πρότζεκτ όπως είναι η συνέχεια του Sloan Digital Sky Survey, που λέγεται SEGUE, και το πρόγραμμα RAVE στο Αγγλο-Αυστραλιανό Παρατηρητήριο, θα μετρηθούν οι συνθέσεις περίπου 1 εκατομμυρίου άστρων στο Γαλαξία μας. Αυτό το μεγάλο δείγμα των άστρων με διαφορετικές ηλικίες, συνθέσεις και ιστορίες θα χρησιμοποιηθεί για να ανασυνθέσει την μπερδεμένη ιστορία της συναρμολόγησης του Γαλαξία μας και του ατομικού του πυρήνα, όπως οι παλαιοντολόγοι κάνουν χρήση των απολιθωμάτων για να ανασυνθέσει την ιστορία της ζωής στη Γη. Η BBN μας εξασφαλίζει την αρχική ρύθμιση για αυτή την ιστορία της ρίζας μας.

Περίληψη: πυρηνοσύνθεση στο Big Bang

• Η πυρηνοσύνθεση κατά το Big Bang (BBN) είναι η διαδικασία κατά την οποία οι ελαφρύς πυρήνες του δευτερίου, του ηλίου-3, του ηλίου-4 και λιθίου-7 έχουν παραχθεί τα πρώτα λεπτά του σύμπαντος

• Για πολλά χρόνια, η BBN πρόβλεπε με τον πλέον αξιόπιστο τρόπο τον καθορισμό της μέσης βαρυονικής πυκνότητας του σύμπαντος - μια κεντρική παράμετρο στην κοσμολογία που αποκάλυψε ότι το σύμπαν είναι κυρίως κατασκευασμένα από "σκοτεινή" ύλη και όχι από τα απλά πρωτόνια και νετρόνια

• Σαν μια σημαντική συνιστώσα του καυτού μοντέλου του Big Bang, η BBN μπορεί να ελεγχθεί με τη μέτρηση της ποσότητας ορισμένων ελαφρών πυρήνων που ήταν παρόντα σε πολύ παλιά κοσμικά υλικά

• Τρέχουσες μετρήσεις της ποσότητας των ελαφρών πυρήνων δίνουν αντιφατικές τιμές για την βαρυονική πυκνότητα του σύμπαντος, ιδιαίτερα δε το λίθιο να προκαλεί την κατανόηση που έχουμε τόσο για τα άστρα στα οποία παρατηρείται, όσο και η ίδια η θεωρία της BBN

• Ακριβείς μετρήσεις της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υπόβαθρου δίνουν μια ανεξάρτητη μέτρηση της πυκνότητας των βαρυονίων και επιτρέπει έτσι πιο αυστηρές δοκιμές του μοντέλου της BBN

Λίγα ακόμα λόγια για το λίθιο-7

Το πιο ενδιαφέρον κομμάτι της πυρηνοσύνθεσης είναι η ποσότητα του λιθίου-7 (πυρήνες με 3 πρωτόνια και 4 νετρόνια). Αυτοί οι πυρήνες που παράγονται από πυρηνική σύντηξη μέσα σε μερικά άστρα, αλλά πολύ συχνά αυτοί καταστρέφονται. Πρόσθετοι τρόποι παραγωγής του λιθίου-7 πρέπει να λαμβάνουν  υπόψη τα εξής: Ο Κόσμος είναι γεμάτος με πολύ γρήγορα, υψηλής ενέργειας σωματίδια, κυρίως πρωτόνια, που συνήθως ονομάζονται "κοσμικές ακτίνες". Όταν οι κοσμικές ακτίνες συγκρούονται με το διαστρικό αέριο, ένα από τα πιθανά αποτελέσματα είναι πυρήνες του λίθιου-7.

Ευτυχώς, φαίνεται ότι υπάρχουν κάποια αντικείμενα στο σύμπαν - ακόμα και στο δικό μας Γαλαξία -- στα οποία η πρωταρχική ποσότητα του λιθίου-7 διατηρείται. Αυτά τα αντικείμενα είναι άστρα ιδιαίτερα μεγάλης ηλικίας, και συγκριτικά πολύ ψυχρά. Πώς το ξέρουμε όμως;

Τα άστρα έχουν μια πολυεπίπεδη διάρθρωση - οι πυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης λαμβάνουν χώρα στις εσωτερικές, πιο καυτές περιοχές, αλλά όχι στα ακραία εξωτερικά στρώματα. Συνεπώς, η σύνθεση των ακραίων στρωμάτων θα πρέπει να δείχνει τις αναλογίες των στοιχείων από τα οποία έχει σχηματιστεί το άστρο. Για πολύ παλαιά λοιπόν άστρα, η αναλογία των ποσοτήτων των στοιχείων πρέπει να είναι κοντά στις πρωταρχικές τιμές του νέου σύμπαντος. Για τα νεότερα άστρα, τα οποία έχουν μολυνθεί με τα υλικά που σχηματίστηκαν από τα προϊόντα της σύντηξης των προηγούμενων γενεών, οι αναλογίες θα είναι διαφορετικές.

Με μια συστηματική ανάλυση του φωτός που λήφθηκε από τα ακραία εξωτερικά στρώματα (πιο συγκεκριμένα, των διαφόρων γραμμών εκπομπής και απορρόφησης), οι αστρονόμοι μπορούν να καθορίσουν τις ποσότητες των συστατικών στοιχείων του στρώματος. Η παρουσία στοιχείων όπως είναι το οξυγόνο ή το άζωτο ή, στη συγκεκριμένη περίπτωση, η παρουσία του σιδήρου χρησιμεύουν ως δείκτες της χημικής εξέλιξης: Αξιόλογα ποσά αυτά τα στοιχεία δείχνουν ότι ένα αστέρι είναι νεαρό, το οποίο σχηματίστηκε από τα συντρίμμια των άλλων άστρων . Χαμηλές ποσότητες μας δείχνουν ότι το αστέρι είναι αρκετά παλαιό.

Διάγραμμα για τα νεαρά άστρα, όπου το λίθιο ποικίλει

Για τα νεότερα άστρα - που αναγνωρίζονται από την υψηλή τους περιεκτικότητα σε σίδηρο - οι ποσότητες του λίθιου-7 μπορεί να είναι κατά πολύ διαφορετικές, όπως φαίνεται στο πιο πάνω διάγραμμα, που δείχνει την περιεκτικότητα σε σίδηρο (οριζόντιος άξονας, το αντικείμενο που αναφερόμαστε είναι ο ήλιος μας) ως προς το λίθιο-7 (κάθετος άξονας, η κλίμακα είναι ο αριθμός των πυρήνων του λιθίου-7 ανά πυρήνα υδρογόνου). Αυτό συμβαίνει γιατί η ποσότητα του λιθίου-7 που παράγεται στην αστρική σύντηξη θα ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με τη μάζα του άστρου, τη θερμοκρασία και την αρχική του σύνθεση.

Σε αντίθεση, το περιεχόμενο λίθιο-7 για τα περισσότερα από τα παλαιότερα άστρα (άστρα, με εξωτερικά στρώματα που περιέχουν λιγότερο από το 1/10 του σιδήρου του ήλιου μας) είναι περίπου σταθερό, όπως δείχνει το παρακάτω διάγραμμα:

Διάγραμμα για τα παλιά άστρα, όπου το λίθιο είναι σταθερό

Το γεγονός ότι οι ποσότητες του λίθιου-7 για αυτά τα αρχαιότερα άστρα δείχνουν πολύ μικρή διακύμανση (σαν πλάτωμα) είναι ισχυρή ένδειξη ότι, στα πιο εξωτερικά στρώματα αυτών των άστρων, το λίθιο-7 είναι αμόλυντα από την αστρική πυρηνική σύντηξη. Το σταθερό περιεχόμενο του λιθίου έχει δώσει σε αυτά τα άστρα το όνομά τους: Λέγονται άστρα με πλάτωμα-λιθίου ή, εναλλακτικά, άστρα με πλάτωμα Spite (γιατί το ανακάλυψαν οι François και Monique Spite του Γαλλικού Παρατηρητηρίου). Από την αστρική φυσική, μπορεί κανείς να εκτιμήσει ότι είναι μεταξύ 10 και 13 δισεκατομμυρίων ετών - τα πιο αρχαία τέτοια άστρα έχουν περίπου το 95% της ηλικίας του σύμπαντος!

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