Космос

Извечная литиевая проблема

Большая проблема большого взрыва

Часто утверждается, что обилие легких элементов, предсказанных моделью Большого взрыва, соответствует измеренным количествам этих элементов и, следовательно, является свидетельством большого взрыва. Однако фактическое содержание двух изотопов лития значительно отличается от прогнозов модели большого взрыва. Расхождение настолько велико, что ученые называют его извечной литиевой проблемой. Поэтому, вместо того, чтобы предоставить хорошие доказательства для модели большого взрыва, обилие легких элементов представляет собой серьезную проблему для стандартной космологии.

Проблема

Согласно модели большого взрыва, ядерные реакции в первые несколько минут после Большого взрыва произвели три самых легких элемента: водород, гелий и литий. Гораздо позже звезды произвели все другие элементы, включая углерод, на котором основана вся жизнь, азот и кислород в воздухе, которым мы дышим, кальций в наших костях и железо в нашей крови. Астрономы измеряют количество каждого элемента, присутствующего в звездах, наблюдая за темными поглощающими линиями в их спектре. Среднее количество самых легких элементов в некоторых звездах якобы отражают изначальное множество тех элементов, которые произвели большой взрыв. Сторонники модели Большого Взрыва утверждают, что совпадение между наблюдаемыми множествами трех самых легких элементов и предсказаниями их модели доказывает большой взрыв. Однако предсказания о литии не соответствуют наблюдениям. Физики и астрономы называют это извечной литиевой проблемой.

Хотя все атомы одного и того же элемента имеют одинаковое количество протонов в своих ядрах, ядра атомов одного и того же элемента могут различаться по числу нейтронов. Мы называем эти различные виды атомов изотопами одних и тех же элементов. Например, существует два вида водорода: нормальный водород, с одним протоном в его ядре, без нейтронов, и дейтерий, который имеет протон и нейтрон в своем ядре. Мы называем этот другой изотоп водорода дейтерием, потому что ядро ??содержит две частицы, название «дейтерий» происходит от слова «второй». Примерно, один атом водорода из тысячи - дейтерий. На самом деле существует третий изотоп водорода, но он неустойчив. Этот третий изотоп водорода содержит три частицы в своем ядре: один протон и два нейтрона. Поскольку ядро ??этого изотопа имеет три частицы, мы называем его изотопным тритием, от слова «третий». Нестабильность трития приводит к распаду на стабильный изотоп гелия. Этот радиоактивный распад имеет период полураспада около 12 лет. Есть некоторые естественные процессы, которые вырабатывают тритий, но скорость производства очень низкая, и поскольку период полураспада трития относительно невелик, природный тритий чрезвычайно редок в мире.

Как и в случае с водородом, большинство других элементов имеют устойчивые и неустойчивые изотопы. В природе встречаются только устойчивые изотопы и неустойчивые изотопы с длинными периодами полураспада. Обычно мы называем изотопы, используя название элемента, добавляя цифру суммы числа протонов и нейтронов. Устойчивыми изотопами гелия являются гелий-3 и гелий-4. Атом гелия-3 имеет два протона и один нейтрон в ядре, а гелий-4 имеет два протона и два нейтрона в ядре. Двумя устойчивыми изотопами лития являются литий-6 (три протона и три нейтрона в ядре) и литий-7 (три протона и четыре нейтрона в ядре).

Структура

 
Барион - это класс субатомных частиц, который включает протон и нейтрон. Плотность бариона, нанесенная на нижней горизонтальной шкале, представляет собой плотность числа протонов и нейтронов во Вселенной сегодня. Верхняя горизонтальная ось отображает часть критической плотности, причем критическая плотность представляет собой плотность, необходимую для создания определенной кривизны в космологической модели, называемой Вселенной Фридмана. Вертикальная ось - это число плотности дейтерия, двух изотопов гелия и лития-7 по сравнению с обычным водородом. Четыре заштрихованные кривые - это предсказания модели большого взрыва для различных барионных плотностей. Диапазон ячеек для гелия-4, дейтерия и лития-7 представляет собой диапазон измерения этих изотопов. Ширина коробок была растянута, чтобы заключить модельные предсказания по диапазону в измеренных количествах. Нижнего предела измерений гелия-3 нет, поэтому он заключен в две стрелки, а не в коробку. Заштрихованная вертикальная полоса представляет собой диапазон измерений плотности бариона, полученных другими способами. Тот факт, что три коробки и область, ограниченная двумя стрелками, охватывают части заштрихованной вертикальной области, являются большим свидетельством большого взрыва, как утверждает Краусс. Однако Краусс неправильно построил данные лития-7, и он вообще не включил литий-6. Мы нанесли самые последние верхние пределы измерения содержания лития-7 стрелками, направленными вниз, чтобы не указывать нижний предел, аналогичный графику гелия-3. Заметим, что область, ограниченная двумя стрелками, не совпадает с измеренной плотностью бариона, поэтому данные и прогнозы не соответствуют. Содержание лития-6 (не нанесенное здесь) слишком велико, чтобы соответствовать предсказаниям модели.

Согласно модели большого взрыва, все шесть изотопов трех самых легких элементов были созданы в ранней вселенной. Обычно предсказания о том, сколько каждого изотопа было создано моделью Большого взрыва, выражаются в соотношении пяти из этих изотопов (дейтерий, гелий-3, гелий-4, литий-6 и литий-7) с нормальным водородом. Скептик Лоуренс Краусс настолько уверен в этих утверждениях, что говорит, будто он носит карту в своем кошельке, чтобы показать людям, которые не верят в большой взрыв.1 Эта карта показывает изображение предсказанного множества четырех изотопов , а также коробки, отображающие измеренные диапазоны четырех изотопов (см. изображение, справа).2 Краусс говорит, что он обычно не заходит глубоко в дискуссию с теми, кто сомневается в большом взрыве, потому что данные редко впечатляют людей, которые решили заранее, что что-то не так с изображением. Большинство людей, смотрящих на изображение, все равно не поймут его, так что это прекрасная возможность для Краусса обмануть и запугать большинство критиков. Насколько хорошо обосновано сопоставление данных и прогнозов, которые предсказывает Краусс? Не так хорошо, как он думает.

Изучая изображение, теоретические и наблюдаемые уровни содержания гелия-4 и дейтерия, по-видимому, хорошо согласуются. Краусс признает, что данные для гелия-3 бедны, и только верхние пределы его количества сопоставимы с теорией, исходя из этого действительно нельзя сделать вывод. Наконец, изображение лития-7 также, по-видимому, хорошо согласуется с теорией Большого взрыва и астрономическими измерениями. Однако это неверно, поскольку теоретические и наблюдаемые количества лития не совпадают вообще - измеренное количество лития во Вселенной по крайней мере в три раза ниже, чем предсказанное.3 Краусс либо использовал старые данные, либо неправильно нанес их. Эта литиевая проблема известна на протяжение некоторого времени. Например, за год до появления книги Краусса Филдс опубликовал статью на эту тему.4 Следовательно, утверждение Краусса о том, что теория и данные идеально сочетаются, неверны.

В последнее время проблема с литием ухудшилась. Изображение Краусса показывает не литий-7, а скорее показывает как литий-7, так и литий-6. Теория крупномасштабного нуклеосинтеза предсказывает, что численность лития-6 должна составлять около 0,0015% от лития-7, поэтому сторонники большого взрыва полагают, что любой вклад лития-6 будет несущественным по сравнению с литием-7.5 Кроме того, учитывая это несоответствие в количестве и тот факт, что звездные спектральные линии лития-6 сочетаются со спектрами лития-7, измерения содержания лития-6 затруднены. Однако трудно не значит невозможно. В последние годы очень тщательные исследования численности лития-6 в некоторых звездах показали, что литий-6 составляет примерно 5% количества лития-7. Это число примерно в 1000 раз больше, чем прогнозируется нуклеосинтезом большого взрыва. Следовательно, в то время как численность лития-7 ниже, чем прогнозировалось, литий-6 оказался гораздо более распространенным, чем предсказывалось. Было предложено несколько причин несоответствия теории и наблюдений, но каждая из них была устранена. Например, одно из предложений заключалось в том, что мы не знали поперечного сечения ядерной реакции, производящей литий-6 в ранней вселенной большого взрыва, но недавнее исследование исключило эту возможность.6

Интересно, что литиевая проблема касается и Солнца. Солнечные запасы лития очень низкие по сравнению со звездами, подобными Солнцу. На самом деле, количество лития Солнца является одним из самых низких среди всех звезд. Неясно, что это значит, и как это связано с литиевой проблемой большого взрыва.

Укоренившиеся идеи

Хотя существует некоторое согласование между теоретическими предсказаниями Большого взрыва и наблюдениями за более легкими элементами, предсказания и измерения лития очень не согласуются. Таким образом, утверждения о том, что наблюдаемые количества легких элементов подтверждают модель большого взрыва, неверно. Однако не ожидайте, что научное сообщество в ближайшее время откажется от модели большого взрыва. Модель Большого Взрыва была единственной широко принятой теорией происхождения Вселенной на протяжение полувека. Ученые не отказываются от идеи добровольно, и, конечно, для большинства ученых о библейском сотворении не может быть и речи.

 

Автор: Дэнни Фолкнер

Дата публикации: 15.01.2015

Источник: Answer in Genesis

 

Перевод: Литус П.

Редактор: Литус П.

 

Ссылки:

  1. Lawrence Krauss, A Universe from Nothing: Why There Is Something Rather Than Nothing (New York: Free Press, 2012), 18.
  2. Krauss, 111–112.
  3. M. Spite, F. Spite, and P. Bonifacio, “The Cosmic Lithium Problem,” Memorie Societa Astronomica Italiana Supplementi 22 (2012): 9–18.
  4. B.D. Fields, “The Primordial Lithium Problem,” Annual Reviews of Nuclear and Particle Science 61 (2011): 47–68.
  5. The range varies from Li-7/Li-6 = 700 to 10,000. (Verne V. Smith et al., “Isotopic Lithium Abundances in Nine Halo Stars,” The Astrophysical Journal 506 (1998): 405.)
  6. M. Anders et al., “First Direct Measurement of the 2H(?,?)6Li Cross Section at Big Bang Energies and the Primordial Lithium Problem,” Physical Review Letters 113, no. 4:2501–2505.

 

 

 

 

 

Написать коментарий