Большая проблема Большого взрыва: литий
Часто утверждается, что обилие легких элементов, предсказанное моделью большого взрыва, соответствует измеренным количествам этих элементов и, следовательно, является доказывает большой взрыв.
Однако фактическое содержание двух изотопов лития значительно отличается от прогнозов данной модели. Расхождение настолько велико, что ученые называют его космологической проблемой лития.
Поэтому, вместо того, чтобы быть хорошим доказательством для модели большого взрыва, большое количество легких элементов представляет серьезную проблему для стандартной космологии.
Проблема
Согласно модели большого взрыва, ядерные реакции в первые несколько минут образовали три самых легких элемента: водород, гелий и литий. Гораздо позже звезды произвели остальные элементы, включая углерод, основу жизни, азот и кислород в воздухе, которым мы дышим, кальций в наших костях и железо в нашей крови.
Астрономы измеряют количество каждого элемента в звездах, наблюдая за темными поглощающими линиями в их спектре. Среднее количество самых легких элементов в некоторых звездах якобы отражают изначальное множество элементов, которые произвел большой взрыв. Сторонники этой модели 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 космологической проблемой лития.
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. Например, существует два вида водорода: нормальный водород с одним протоном в ядре и без нейтронов, и дейтерий, который имеет и протон, и нейтрон в своем ядре.
Мы называем второй изотоп водорода дейтерием, потому что его ядро содержит две частицы. Название deuterium происходит от слова «второй». Примерно один атом водорода из тысячи — дейтерий.
Но еще существует третий изотоп водорода, хотя он весьма неустойчив. Этот третий изотоп содержит три частицы в своем ядре: один протон и два нейтрона. Поскольку его ядро имеет три частицы, мы называем его тритием, от слова «третий». Нестабильность трития приводит к распаду на более стабильный изотоп гелия. Это радиоактивный распад с периодом полураспада около 12 лет.
Есть некоторые естественные процессы, которые вырабатывают тритий, но скорость образования этого изотопа очень низкая, и поскольку период его полураспада относительно невелик, тритий чрезвычайно редко встречается в природе.
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
Согласно модели большого взрыва, все шесть изотопов трех самых легких элементов были созданы в ранней Вселенной. Обычно прогнозы модели о том, сколько каждого изотопа было образовано, выражаются в соотношении пяти этих изотопов (дейтерий, гелий-3, гелий-4, литий-6 и литий-7) к нормальному водороду.
Скептик Лоуренс Краусс настолько уверен в этих утверждениях, что говорит, будто он специально носит карту в своем кошельке, чтобы показывать людям, которые не верят в большой взрыв.1 Эта карта показывает соотношение прогнозируемого множества четырех изотопов, а также области, отображающие измеренные диапазоны четырех изотопов (см. изображение ниже).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 с изображением что-то не так. Большинство людей, смотря на схему, все равно не поймут ее, так что это прекрасная возможность для Краусса обмануть и запугать большинство соперников.
Насколько хорошо обосновано сопоставление данных и прогнозов, которые предсказывает Краусс? Не так хорошо, как он думает.
Изучая изображение, теоретические и наблюдаемые уровни гелия-4 и дейтерия, по-видимому, хорошо согласуются. Краусс признает, что данных для гелия-3 мало, и только верхние пределы его количества сопоставимы с теорией, исходя из этого действительно нельзя сделать вывод.
Наконец, участок лития-7 также, как утверждается, 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 прогнозируемое.3
Краусс либо использовал старые данные, либо неправильно нанес их. Проблема лития известна на протяжении 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 лития только ухудшилась. Изображение Краусса показывает не литий-7, а скорее показывает как литий-7, так и литий-6. Теория крупномасштабного нуклеосинтеза предсказывает, что количество 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 и тот факт, что спектральные линии лития-6 со звезд совпадают со спектрами лития-7, измерения содержания лития-6 затруднены. Однако трудно не значит невозможно.
В последние годы очень тщательные исследования количества лития-6 в некоторых звездах показали, что литий-6 составляет примерно 5% количества лития-7. Это число примерно в 1000 раз больше, чем прогнозы нуклеосинтеза большого взрыва. Следовательно, хотя количество 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 профиля ядерной реакции, которая образовала литий-6 в ранней Вселенной большого взрыва, но недавнее исследование исключило эту возможность.6
Интересно, что литиевая проблема касается и Солнца. В Солнце очень мало лития по сравнению с другими похожими звездами. На самом деле, количество лития в Солнце одно 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 прогнозами теории большого взрыва и наблюдениями за более легкими элементами, предсказания и реальный цифры совершенно 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 своей теории. Модель большого взрыва — единственная широко принятая теория происхождения Вселенной на протяжение полувека. Ученые не отказываются от идеи добровольно, и, конечно, для большинства ученых о библейском сотворении не может быть и речи.
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 плотность дейтерия, двух изотопов гелия и лития-7 по сравнению с обычным водородом.
Четыре заштрихованные кривые — это прогнозы модели большого взрыва для различных барионных плотностей. Диапазон ячеек для гелия-4, дейтерия и лития-7 представляет собой диапазон измерения этих изотопов. Ширина участков была растянута, чтобы разместить прогнозы модели 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 вообще не включил литий-6.
Мы нанесли самые последние верхние пределы измеренного количества 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.
-
[^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.
