Великий вибух
Категорії / Космос / Великий вибух / Велика проблема Великого вибуху: літій

Велика проблема Великого вибуху: літій

Існує твердження, що велика кількість легких елементів, передбачених моделлю Великого вибуху, відповідає виміряним кількостям цих елементів і, отже, доводить великий вибух. 

Однак фактичний склад двох ізотопів літію значно відрізняється від прогнозів моделі великого вибуху. Розбіжність настільки велика, що вчені називають це космологічною літієвою проблемою. 

Тому, замість того, щоб надати хороші докази для моделі великого вибуху, велика кількість легких елементів — серйозна проблема стандартної космології.

Проблема

Відповідно до моделі великого вибуху, ядерні реакції в перші кілька хвилин створили три найлегших елемента: водень, гелій і літій. Набагато пізніше зірки зробили всі інші елементи, включаючи вуглець, який є основою життя, азот і кисень повітря, яким ми дихаємо, кальцій в наших кістках і залізо в нашій крові. 

Астрономи вимірюють кількість кожного елемента в зірках, спостерігаючи за темними поглинаючими лініями в їх спектрі. Середня кількість найлегших елементів в деяких зірках нібито відображає початкову множину елементів, які створив великий вибух. Прихильники моделі великого вибуху стверджують, що збіг між спостережними множинами трьох найлегших елементів і передбаченнями моделі доводить їхню версію. 

Однак передбачення про літій не відповідають спостереженням. Фізики й астрономи називають це космологічною літієвою проблемою.

Хоча всі атоми одного і того ж елемента мають однакову кількість протонів в своїх ядрах, ядра атомів одного і того ж елемента можуть відрізнятися за кількістю нейтронів. Ми називаємо ці різні види атомів ізотопами. Наприклад, існує два види водню: нормальний водень з одним протоном в ядрі і без нейтронів, і дейтерій, який має протон і нейтрон в своєму ядрі. 

Ми називаємо цей ізотоп водню дейтерієм, тому що його ядро містить дві частинки. Назва deuterium походить від слова «другий». Приблизно один атом водню з тисячі — це дейтерій. 

Насправді існує третій ізотоп водню, але він нестійкий. Цей третій ізотоп містить три частинки в своєму ядрі: один протон і два нейтрони. Оскільки його ядро має три частинки, ми називаємо цей ізотоп тритієм, від слова «третій». Нестабільність тритію призводить до розпаду на більш стабільний ізотоп гелію. Це радіоактивний розпад, який має період напіврозпаду близько 12 років. 

Є деякі природні процеси, які продукують тритій, але швидкість його утворення дуже низька. Оскільки період напіврозпаду тритію відносно невеликий, природний тритій надзвичайно рідко зустрічається в світі.

Як і у випадку з воднем, більшість інших елементів мають стійкі та нестійкі ізотопи. У природі зустрічаються тільки стійкі ізотопи і нестійкі ізотопи з довгими періодами напіврозпаду. 

Зазвичай ми називаємо їх, використовуючи назву елемента і додаючи цифру суми числа протонів і нейтронів. Стійкими ізотопами гелію є гелій-3 і гелій-4. Атом гелію-3 має два протони і один нейтрон в ядрі, а гелій-4 має два протони і два нейтрони. 

Двома стійкими ізотопами літію є літій-6 (три протони і три нейтрони в ядрі) і літій-7 (три протони і чотири нейтрони).

Структура

Відповідно до моделі великого вибуху, всі шість ізотопів трьох найлегших елементів утворились в ранньому Всесвіті. Зазвичай передбачення про те, скільки кожного ізотопу було створено у цій моделі виражаються в співвідношенні п'яти з цих ізотопів (дейтерій, гелій-3, гелій-4, літій-6 і літій-7) з нормальним воднем. 

Скептик Лоуренс Краусс настільки впевнений в цих твердженнях, що каже, що він носить карту у своєму гаманці, щоб показати людям, які не вірять у великий вибух.1 Ця карта показує фрагмент ймовірної множини чотирьох ізотопів, а також коробки, що відображають виміряні діапазони чотирьох ізотопів (див. зображення, нижче).2 

Краусс каже, що він зазвичай не заходить глибоко в дискусію з тими, хто сумнівається у великому вибуху, тому що дані рідко вражають людей, які вирішили заздалегідь, що щось не так із зображенням. Більшість людей, які дивляться на малюнок, все одно не зрозуміють його, так що це прекрасна можливість для Крауса обдурити і залякати більшу частину критиків. 

Наскільки добре обґрунтоване зіставлення даних і прогнозів, які пропонує Краусс? Не так добре, як він думає.

Вивчаючи сїему, теоретичні та спостережні рівні вмісту гелію-4 і дейтерію, очевидно, добре узгоджуються. Краусс визнає, що даних для гелію-3 мало, і тільки верхні межі його кількості можна порівняти з теорією, виходячи з цього дійсно не можна зробити висновок. 

Ділянка літію-7 також, ймовірно, добре узгоджується з теорією великого вибуху і астрономічними вимірюваннями. Однак це невірно, оскільки теоретичні і спостережні кількості літію не збігаються взагалі — виміряна кількість літію у Всесвіті принаймні в три рази нижча, ніж передбачена.3 Краусс або використовував старі дані, або неправильно їх розміщував. 

Проблема літію відома вже протягом деякого часу. Наприклад, за рік до появи книги Краусса Філдс опублікував статтю на цю тему.4 Отже, твердження Крауса про те, що теорія і дані ідеально поєднуються, невірні.

Останнім часом проблема з літієм погіршилася. Ділянка Краусса показує не літій-7, а скоріше літій-7 разом з літієм-6. Теорія великомасштабного нуклеосинтеза передбачає, що кількість літію-6 повинна складати близько 0,0015% від літію-7, тому прихильники теорії великого вибуху вважають, що будь-який внесок літію-6 буде несуттєвим у порівнянні з літієм-7.5 

Крім того, з огляду на цю невідповідність в кількості і той факт, що зоряні спектральні лінії літію-6 поєднуються зі спектрами літію-7, вимірювання кількості літію-6 ускладнене. Однак важко не означає неможливо. 

В останні роки дуже ретельні дослідження вмісту літію-6 в деяких зірках показали, що літій-6 становить приблизно 5% від кількості літію-7. Це число приблизно в 1000 разів більше, ніж прогнози нуклеосинтеза великого вибуху. Отже, в той час як чисельність літію-7 нижча, ніж прогнозувалося, літій-6 виявився набагато більш поширеним, ніж передбачалося. 

Було запропоновано кілька причин невідповідності теорії і спостережень, але кожна з них була усунена. Наприклад, одна з пропозицій полягала в тому, що ми не знали поперечного профілю ядерної реакції, що утворила літій-6 в ранньому Всесвіті, але недавнє дослідження виключило цю можливість.6

Цікаво, що літієва проблема стосується і Сонця. Вміст літію в Сонці дуже низький в порівнянні зі схожими зірками. Насправді, кількість літію в Сонці є однією з найнижчих серед усіх зірок. Неясно, що це означає, і як це пов'язано з літієвої проблемою великого вибуху.

Закоренілі ідеї

Хоча існує деяке узгодження між теоретичними прогнозами Великого вибуху і спостереженнями за більш легкими елементами, прогнози і вимірювання вмісту літію абсолютно не узгоджуються. Таким чином, твердження про те, що спостережні кількості легких елементів доводять модель великого вибуху, невірне. 

Однак не чекайте, що наукове співтовариство найближчим часом відмовиться від своєї моделі. Модель великого вибуху — єдина широко прийнята теорія походження Всесвіту протягом півстоліття. Вчені не відмовляються від ідеї добровільно, і, звичайно, для більшості вчених про біблійне створення не може бути й мови.


Баріон — це клас субатомних частинок, який включає протон і нейтрон. Густина баріону, нанесена на нижній горизонтальній шкалі, являє собою густину області протонів і нейтронів у Всесвіті сьогодні. Верхня горизонтальна вісь відображає частину критичної щільності, причому критична щільність є щільністю, необхідною для створення певної кривизни в космологічній моделі, яку називають Всесвіт Фрідмана.

Вертикальна вісь — це густина кількості дейтерію, двох ізотопів гелію і літію-7 в порівнянні зі звичайним воднем. Чотири заштриховані криві — це прогнози моделі великого вибуху для різних баріонних щільностей. 

Діапазон осередків для гелію-4, дейтерію і літію-7 являє собою діапазон виміру цих ізотопів. Ширина коробок була розтягнута, щоб укласти модельні передбачення за діапазоном в виміряних кількостях. Нижньої межі вимірювань гелію-3 немає, тому він укладений в дві стрілки, а не в коробку. Заштрихована вертикальна смуга — діапазон вимірювань щільності баріону, отриманих іншими способами. 

Той факт, що три коробки і область, обмежена двома стрілками, охоплюють частини заштрихованої вертикальної області, є великим свідченням великого вибуху, як стверджує Краусс. 

Однак Краусс неправильно побудував дані літію-7 і взагалі не включив літій-6. Ми завдали найостанніші верхні межі вимірювання вмісту літію-7 стрілками, спрямованими вниз, щоб не вказувати нижню межу, аналогічно графіку гелію-3. Зауважимо, що область, обмежена двома стрілками, не збігається з виміряною щільністю баріону, тому дані і прогнози не відповідають. Зміст літію-6 (не нанесено тут) занадто великий, щоб відповідати прогнозам моделі.

Вас також може зацікавити:

Посилання:

  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.