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锂:大爆炸理论的最后疑难?

  锂:最后的大爆炸理论很难?

  大爆炸后的头几分钟发生了什么?也许有一个元素,你可以告诉我们......删除你的手机电池,你将能够“亲密接触”一个化学元素的存在大约有137亿年。是的,它是锂,周期表中的第三个化学元素。锂和其他轻元素,包括氢和氦,被认为是在宇宙诞生后不到一秒的时间内由初始核反应过程形成的。在五分钟之后,宇宙“造”了当今宇宙中所有普通物质的基本成分。在接下来的数十亿年里,这个问题慢慢聚集在一起,形成我们今天看到的星系和恒星。
宇宙早期形成的轻核,被称为“大爆炸核合成”。我们对大部分大爆炸核合成过程的理解是非常准确的。事实上,宇宙中氢和氦的丰度和丰度的测量结果与理论预测完全吻合,许多宇宙学家将其作为支持宇宙大爆炸理论的最有力证据。然而,好东西总是被磨损的。当氢和氦“紧缩”时,锂出来了一个“问题”。测得的锂的丰度总是与理论计算不符。宇宙中的大部分锂是以锂-7的形式存在的,其余的则以同位素锂-6的形式存在。同位素是指具有相同数量的质子和不同数量的中子的相同元素的不同核素。例如,锂-7有三个质子和四个中子,而锂-6有三个质子和三个中子。当天文学家测量宇宙中极早期的锂-7含量时,结果是理论计算的一小部分。更糟糕的是,当他们测量锂-6的量时,他们得到的结果比预期的要多1,000倍。这一现象立即引起了天文学家的高度关注。美国俄亥俄州立大学天文学家加里·斯泰格曼(Gary Steigman)说:“如果锂丰度方面的偏差确实存在,而且我们找不到合理的天体物理学解释,那么我们遇到了很大的麻烦。今天天文观测继续改善,锂丰度问题的严重性变得更加突出,许多科学家提出,现在可能是时候对宇宙的组成进行彻底和仔细的考察了。他们想在宇宙大爆炸后的头几分钟,通过引入新的特殊粒子来重写宇宙中化学元素的形成。这个想法将对我们现有的基本粒子知识,它们的相互作用乃至宇宙的起源产生深远的影响。宇宙的第一个5分钟
当然,这不是第一次的宇宙大爆炸理论的挑战。有人提出,引力异常的异常特征,出现在遥远星系的老恒星,以及宇宙微波背景辐射的宇宙特征 - 宇宙大爆炸的余辉,都是宇宙大爆炸理论存在的有力论据。锂的丰度是如此严重,因为宇宙学家使用轻元素丰度的测量方法来确定宇宙大爆炸后几秒钟内宇宙的物理状态。大爆炸核合成的想法在1948年由George Gamow,Ralph Alpher和Robert Herman于1948年提出。他们的理论描述了核由大爆炸产生的基本粒子(包括质子,中子等)的一系列核反应形成。一旦中子和质子结合,氘核(氢同位素,氢原子本身只包含一个质子而不形成中​​子),较重的元素可以通过氘核进行中子俘获,然后形成β衰变质子。正是在这个时候,加莫相信所有的元素都是这样形成的,但后来却发现这个想法是错误的。根据大爆炸的现代核爆理论,大爆炸只形成了四个最轻的元素。宇宙中氢的含量已经在宇宙诞生的一秒钟内建立起来了。在宇宙第一次五分钟之后,四分之一的宇宙普通物质已经变成氦-4,再加上少量的氢同位素氘(由质子和中等亚组分组成)和氚一个质子和两个中子),此时,一些氦-4与氦-3反应形成铍-7,然后铍-7衰变为锂-7,另外一些氦-4直接形成锂-7与氚的碰撞对于周期表中最重的元素,它们是由大爆炸形成数十亿年后形成的恒星组成,并通过超新星爆炸进入星际空间,尽管一些最早的理论问题仍然存在,伽莫夫,阿尔夫和赫尔曼已经出乎意料地预言到宇宙微波背景辐射的存在,这比发现宇宙微波背景辐射的时间早了近20年,他们认为宇宙一定是热的密集的,否则t他的核反应率就不符合要求。为了确保这一点,他们假设每个质子或中子在宇宙的前几秒钟内将被十亿个光子击中。这些光子将保持到今天,但是由于宇宙的膨胀,它们的波长已经被“拉伸”到微波带中。宇宙大爆炸核合成理论的美妙之处在于它指出,宇宙中的轻元素的丰度只与一个基本参数有关,即重子数与光子数之比。这里提到的重子包括质子和中子。生动地说,重子数与光子数之比描述了宇宙中每个质子或中子可以“共享”每个“质子”的光子数量。不要低估这些看似微不足道的参数,这些参数决定了我们宇宙的命运是永远扩张还是最后倒塌。同时,它也为绝大多数宇宙的暗物质提供了有力的支持,但是直到最近,重子数与光子数的比值仍然难以准确测量,所以近40年来天文学家一直在测量丰富的极早期光元素(特别是氘丰度),然后根据宇宙大爆炸理论将重子数回归光子数比,为了测量早期元素的丰度,必须观察最古老的恒星和星系因为它们还没有被超新星爆炸的重元素所“污染”,例如在寻找氘时,天文学家研究了位于我们和远处类星体之间的尘埃云,由于尘埃云中的某些元素,如氘,吸收一定波长的光,在类星体中形成一定波长的暗线(吸收线),强度这些吸收线中的氘可以反映多少。但近年来,这些确定重子数与光子数之比的方法已被更精确的微波背景辐射波动测量方法所取代。这使得天文学家可以更严格地测试宇宙大爆炸核合成理论。通过使用测量微波背景辐射获得的重子数和光子的比率,宇宙大爆炸核合成的理论应该产生与观察到的观测一致的早期丰量的光元素。普林斯顿大学的Jim Peebles说:“这个测试对我们来说非常重要。他在1965年预言了宇宙中丰富的光元素,并且是第一批做出如此预言的科学家之一。自从2003年美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP),一次大规模的核爆炸之后,微波背景的温度以前所未有的精度测量波动。综合理论逐渐开始出现,根据WMAP的最新数据,根据核轰炸理论计算,在早期的宇宙中,每一百万个氢原子相当于约八万氦-4,10氘和氦-3, 10,000ppm锂-7根据Steinmann的观点,目前观察到的氘的丰度与理论预测的氘丰度“完全一致”,对氦而言,虽然总体上一致,但仍有一些小的偏差,但对于锂问题更为严重,观测到银河系中最古老的恒星,发现锂-7含量仅为大爆炸核合成所预测的三分之一理论。但并不是所有人都感到震惊。毕竟,与宇宙射线和星际气体的碰撞也会产生锂。像许多天体物理学家一样,瑞典乌普萨拉大学的Adreas Korn认为,通过更好地了解恒星而不是修改宇宙大爆炸理论,可以解决这个问题。 2006年,他的研究小组使用非常大的望远镜研究了18个处于不同发展阶段的地球同步恒星。他们发现恒星的内部对流会破坏锂。锂在这些老年恒星中的破坏量恰好填补了观测和理论预测之间的差距。目前他们正计划用更大的望远镜和Keck望远镜进行更精确的测量。但与此同时,锂的丰度问题也在不断“恶化”。两年前,现在德国马克斯·普朗克天体物理研究所的马丁·阿斯克兰德(Martin Asplund)和他的同事发现24颗老年恒星中异常大量的锂-6。因此,锂的单一元素就成了两个问题。大爆炸核合成理论中也可以生产锂-6,但绝不像Asplund那样多。他观察到锂-6含量超过了理论预测的1000倍。因此,确认或拒绝锂-6的观测是必要的,因为在预测之外没有锂-7和大量的锂-6可能意味着在早期宇宙中存在新的未知的一次粒子。但是,准确测定锂-6丰度是一件非常困难的事情。 Asplund和其他四位天文学家花费了近五年的时间分析其结果,部分原因是锂-6的光谱信号与更一般的锂-7光谱信号重迭,而后者的强度是前者的20倍。法国巴黎天文台的Roger Cayrel说:“最好的解释就是,实际上我们还没有测量到锂-6的真实丰度。”他在2007年说,他和他的同事们通过了一个更详细的分析,一颗恒星对Asplund的结果提出质疑,似乎锂-6丰度的不同测量值在短时间内是不可调和的,最近Asplund的团队在夏威夷使用Keck望远镜观测了另外10颗恒星。目前他们的结果更糟,许多恒星的锂-6含量甚至比第一次观测到的还要高。现在他们正在进一步分析这些结果,希望尽快公布结果。英国牛津大学的理论宇宙学家Joseph Silk认为,引入新的粒子可以解决锂丰度问题。他说:“虽然我们仍然需要更多地了解这种锂元素,但我不认为这是一个可以通过恒星内物理学来解决的问题。席尔克怀疑是未知的粒子改变了大爆炸的核合成过程之一,甚至在许多科学家锂丰富的元素之后。这个想法绝大多数来自超对称理论。超对称理论是当前的粒子物理标准模型的延伸,它认为每个已知的粒子都有大量的伴随粒子。超对称可以用“双刃剑”解决锂-6和锂-7的问题。法国蒙彼利埃大学的Karsten Jedamzik​​在2004年发现,如果在宇宙最初的几分钟内传播引力子的引力子伴随着粒子与质子之间的相互作用,那么这些伴生粒子的衰变就会受到影响。即使只添加少量的中子,也足以使锂-7形成比标准的宇宙大爆炸核合成理论所要求的早得多。因此,当时的宇宙温度过高会破坏锂-7的早期形成。这恰恰解释了缺少锂电七号的问题。额外的中子也将“氦-4”撞击成质子,中子和氚。氚和其他氦-4可以继续锂-6的核聚变反应。 Jean Dacic真正兴奋的是这样一个简单的反应链可以解决锂的双丰度。几年之后,加拿大环境研究所的马克斯·波斯佩洛夫(Maxim Pospelov)认为,超对称粒子可能在第二轮核合成中发挥催化作用。他证明,如果有一个负电荷偶发原子?在早期的宇宙中,他们会在大爆炸后15分钟内与带正电荷的铍-7相结合。这个特定的组合进一步捕获质子,衰变到两个氦-4,而不是锂-7。 Bucepilov还表示,τ相关颗粒的存在不仅降低了锂-7含量,而且促进了锂-6的形成。宇宙大爆炸后将近三小时,氦-4的一小部分会与伴随的τ粒子结合。合并后的产物与氘进行核反应,产生比常规氦-4反应多10,000倍的锂-6。 Asprende说,一位粒子物理学家甚至告诉他,锂六丰度观测“可能是今天支持超对称性的最有力证据”。科恩说:“在解释粒子物理学家真正的荣耀之前,星星内部的混合效应是不能被排除的。”可能这个模型也很难让人相信,真相很快就会向全世界透露,有科学家认为实际上没有必要对锂的粒子物理学或天体物理学解释感兴趣,也许在一年之内谁能知道谁知道。目光是在欧洲大型强子对撞机上。其主要目的之一是找到支持超对称的证据。但是不要过于乐观,因为引力子与粒子的相互作用是非常弱的,τ子粒子质量非常大,大型强子对撞机可能不能直接产生这些粒子,但是天文学家可以证实或否定丰度现有的锂6观测,也许宇宙的历史早已在实验室改写

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