Problème cosmologique de lithium - Cosmological lithium problem
En astronomie , le problème du lithium ou écart de lithium fait référence à l'écart entre l' abondance primordiale de lithium déduite des observations d' étoiles halo pauvres en métaux ( population II ) dans notre galaxie et la quantité qui devrait théoriquement exister en raison de la nucléosynthèse du Big Bang + WMAP prédictions de densité baryonique cosmique du CMB . À savoir, les modèles les plus largement acceptés du Big Bang suggèrent qu'il devrait exister trois fois plus de lithium primordial, en particulier de lithium-7 . Cela contraste avec l'abondance observée d'isotopes del'hydrogène ( 1 H et 2 H ) et l' hélium ( 3 He et 4 He ) qui sont cohérents avec les prédictions. L'écart est mis en évidence dans un "intrigue de Schramm", nommé en l'honneur de l'astrophysicien David Schramm , qui décrit ces abondances primordiales en fonction du contenu en baryon cosmique à partir des prédictions BBN standard .
Origine du lithium
Quelques minutes après le Big Bang, l'univers était presque entièrement composé d'hydrogène et d'hélium, avec des traces de lithium et de béryllium, et des abondances négligeables de tous les éléments plus lourds.
La synthèse du lithium dans le Big Bang
La nucléosynthèse du Big Bang a produit à la fois du lithium-7 et du béryllium-7, et en effet ce dernier domine la synthèse primordiale des nucléides de masse 7. D'autre part, le Big Bang a produit du lithium-6 à des niveaux plus de 1000 fois inférieurs.
7
4Être
plus tard désintégré par capture d'électrons ( demi-vie 53,22 jours) en7
3Li
, de sorte que l'abondance de lithium primordiale observable somme essentiellement primordiale 7
3Li
et le lithium radiogénique provenant de la désintégration de7
4Être
.
Ces isotopes sont produits par les réactions
et détruit par
La quantité de lithium générée dans le Big Bang peut être calculée. L'hydrogène-1 est le nucléide le plus abondant , comprenant environ 92% des atomes de l'Univers, avec l' hélium-4 seconde à 8%. D'autres isotopes dont 2 H, 3 H, 3 He, 6 Li, 7 Li et 7 Be sont beaucoup plus rares; l'abondance estimée du lithium primordial est de 10 -10 par rapport à l'hydrogène. L'abondance et le rapport calculés de 1 H et 4 He sont en accord avec les données des observations de jeunes étoiles.
La branche PP II
Dans les étoiles, le lithium-7 est fabriqué dans une réaction en chaîne proton-proton .
3
2Il
+ 4
2Il
→ 7
4Être
+
??
7
4Être
+
e−
→ 7
3Li-
+
??
e+ 0,861 MeV / 0,383 MeV 7
3Li
+ 1
1H
→ 2 4
2Il
La branche PP II est dominante à des températures de 14 à 23 MK .
Abondance observée de lithium
Malgré la faible abondance théorique de lithium, la quantité réellement observable est inférieure à la quantité calculée d'un facteur 3-4. Cela contraste avec l'abondance observée des isotopes de l' hydrogène ( 1 H et 2 H ) et de l' hélium ( 3 He et 4 He ) qui sont conformes aux prédictions.
Les étoiles plus anciennes semblent avoir moins de lithium qu'elles ne le devraient, et certaines étoiles plus jeunes en ont beaucoup plus. Le manque de lithium dans les étoiles plus anciennes est apparemment causé par le "mélange" du lithium à l'intérieur des étoiles, où il est détruit, tandis que le lithium est produit dans les étoiles plus jeunes. Bien qu'il se transmute en deux atomes d' hélium en raison d'une collision avec un proton à des températures supérieures à 2,4 millions de degrés Celsius (la plupart des étoiles atteignent facilement cette température à l'intérieur), le lithium est plus abondant que les calculs actuels ne le prédisent dans les étoiles de la génération suivante.
Le lithium se trouve également dans les objets substellaires naines brunes et certaines étoiles orange anormales. Parce que le lithium est présent dans les naines brunes plus froides et moins massives, mais est détruit dans les étoiles naines rouges plus chaudes , sa présence dans le spectre des étoiles peut être utilisée dans le "test au lithium" pour différencier les deux, car les deux sont plus petits que le Soleil.
Moins de lithium dans les étoiles semblables au Soleil avec des planètes
Les étoiles semblables au Soleil sans planètes ont 10 fois plus de lithium que les étoiles semblables au Soleil avec des planètes dans un échantillon de 500 étoiles. Les couches superficielles du Soleil contiennent moins de 1% du lithium des nuages de gaz protosolaires de la formation d'origine, bien que la zone convective de surface ne soit pas assez chaude pour brûler le lithium. On soupçonne que l'attraction gravitationnelle des planètes pourrait améliorer le barattage de la surface de l'étoile, entraînant le lithium vers des noyaux plus chauds où la combustion du lithium se produit. L'absence de lithium pourrait aussi être un moyen de trouver de nouveaux systèmes planétaires. Cependant, cette relation revendiquée est devenue un point de discorde dans la communauté de l'astrophysique planétaire, étant fréquemment niée mais également soutenue.
Plus de lithium que prévu dans les étoiles pauvres en métaux
Certaines étoiles oranges peuvent également contenir une forte concentration de lithium. Ces étoiles oranges ont une concentration plus élevée que d'habitude d'objets massifs en orbite au lithium - étoiles à neutrons ou trous noirs - dont la gravité attire évidemment le lithium plus lourd à la surface d'une étoile à hydrogène-hélium, provoquant l'observation de plus de lithium.
Solutions proposées
Les solutions possibles se répartissent en trois grandes catégories.
Solutions astrophysiques
Considérant la possibilité que les prédictions du BBN soient valables, la valeur mesurée de l'abondance primordiale du lithium devrait être erronée et les solutions astrophysiques proposent une révision. Par exemple, les erreurs systématiques, y compris la correction d'ionisation et la détermination inexacte des températures stellaires pourraient affecter les rapports Li/H dans les étoiles. De plus, davantage d'observations sur l'épuisement du lithium restent importantes car les niveaux actuels de lithium pourraient ne pas refléter l'abondance initiale dans l'étoile. En résumé, des mesures précises de l'abondance du lithium primordial sont actuellement au centre des progrès, et il se pourrait que la réponse finale ne réside pas dans les solutions astrophysiques.
Solutions de physique nucléaire
Lorsque l'on considère la possibilité que l'abondance primordiale du lithium mesurée soit correcte et basée sur le modèle standard de la physique des particules et la cosmologie standard, le problème du lithium implique des erreurs dans les prédictions des éléments légers BBN. Bien que le BBN standard repose sur une physique bien déterminée, les interactions faibles et fortes sont compliquées pour le BBN et pourraient donc être le point faible du calcul du BBN standard.
Premièrement, des réactions incorrectes ou manquantes pourraient donner lieu au problème du lithium. Pour les réactions incorrectes, les principales réflexions concernent la révision des erreurs de section efficace et des taux thermonucléaires standard selon des études récentes.
Deuxièmement, à partir de la découverte par Fred Hoyle d'une résonance dans le carbone 12 , facteur important du processus triple-alpha , les réactions de résonance, dont certaines auraient pu échapper à la détection expérimentale ou dont les effets ont été sous-estimés, deviennent des solutions possibles au problème de lithium.
Solutions au-delà du modèle standard
Sous les hypothèses de tout calcul correct, des solutions au - delà du modèle standard existant ou de la cosmologie standard pourraient être nécessaires.
La décomposition de la matière noire et la supersymétrie offrent une possibilité, dans laquelle les scénarios de décomposition de la matière noire introduisent un riche éventail de nouveaux processus qui peuvent altérer les éléments lumineux pendant et après BBN, et trouver l'origine bien motivée dans les cosmologies supersymétriques. Avec le Grand collisionneur de hadrons (LHC) pleinement opérationnel , une grande partie de la supersymétrie minimale est à portée de main, ce qui révolutionnerait la physique des particules et la cosmologie si elle était découverte.
Changer les constantes fondamentales peut être une solution possible, et cela implique que tout d'abord, les transitions atomiques dans les métaux résidant dans les régions à décalage vers le rouge élevé pourraient se comporter différemment des nôtres. De plus, les couplages du modèle standard et les masses de particules peuvent varier ; troisièmement, la variation des paramètres de physique nucléaire est nécessaire.
Les cosmologies non standard indiquent une variation du rapport baryon/photon dans différentes régions. Une proposition est le résultat d'inhomogénéités à grande échelle dans la densité cosmique, différente de l'homogénéité définie dans le principe cosmologique . Cependant, cette possibilité nécessite un grand nombre d'observations pour la tester.
Dans la culture populaire
Le musicien américain LiTHiUM THiEF aurait choisi son nom comme une solution de plaisanterie au problème cosmologique du lithium, imaginant un cryptide qui a volé le lithium-7 d'un jeune univers.
Voir également
- Big Bang
- Noyau de halo
- Isotopes de lithium
- Liste des problèmes non résolus en physique
- Combustion du lithium