锂6元素:宇宙大爆炸不再是其产生来源

天文在线

发布时间:02-1410:50

重现大爆炸后的瞬间

在意大利的一座山的深处,氢原子和氦原子核的碰撞已经验证了宇宙组成成份的奥秘:为什么当今的宇宙中观测到的锂6的量,与理论中解释预测的、来自大爆炸后顷刻产生的锂6元素的量之间,具有如此大的差异。一个在格兰萨索的地下核天体物理学实验室(LUNA)工作的国际研究小组,首次测量了在类似宇宙刚诞生几分钟时的条件下,锂6产生的速度。实验测得的速率显示,实际上,几乎所有的锂6都在大爆炸之后才产生——这是当前的核合成理论无法解释的。

图为宇宙大爆炸

早在恒星和星系开始形成之前的早期的宇宙中,只有三个基础元素存在,他们是氢、氦、锂。根据大爆炸核合成理论(BBN),仅仅在大爆炸开始之前的几分钟锂,质子和中子结合在一起,形成了这三个基础元素。尽管这个理论很巧妙地预测了,对宇宙中的氢和氦的同位素的观测,但是它最大的缺陷在于,它难以区分锂6和锂7这两种稳定的锂的同位素。

图为早期宇宙

图为BBN理论反应模式

图为大爆炸后宇宙中产生的氢、氦、锂等元素

对于锂7而言,大量的观测数据表明,宇宙中的锂7元素,比BBN理论中预测的要少的很多,而该理论的基石已经由德国德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心(HZDR)的丹尼尔·贝默勒和他的同事们于2006年,在LUNA上进行的实验证实了。现在贝默勒和一个国际物理学团队,已经将注意力转向一个占地球上所有锂元素7%的锂的同位素:锂6.

丰富了几千倍的锂元素

BBN理论模型预测了,在这个“金属贫瘠”的恒星中——这一恒星则是被认为是宇宙中最早形成的恒星,因此可以反映早期宇宙的组成成分——锂6元素应该在锂原子核中占据五万分之一的数量。然而,澳大利亚的国立大学的马丁·阿斯普伦德和他的同事在2006年所做的观察表明,在类似的恒星中,锂6元素的丰富度高出一千倍以上,约占目前所有锂元素含量的5%。因此,问题的关键是在于,是否存在计算或是观察的错误。

图为锂元素丰度最高的恒星

BBN理论认为,锂6元素的产生应该是由一次核反应主导,即氘(氢2)与氦4的碰撞之后的核聚变,从而产生了锂6和伽马射线。而贝默勒和他的同事们现在已经在LUNA使用了40万伏的加速器,用于研究早期宇宙发生的两种碰撞能量下的相互作用。为此,他们向氘气靶发射强烈的氦4核束,并监测了伽马射线的碰撞,而伽马射线与锂6的产生息息相关。

图为(氢2)与氦4的碰撞之后的核聚变

背景信号产生的最小化

这种特定的核聚变过程产生的锂6的可能性非常低,以及这对于物理学家们来说,这是一项十分重要的实现挑战。这一实验可以观测到,在所有由碰撞产生的其他辐射中较弱的伽马射线信号,以及来自自然发生的放射性物质和宇宙射线的背景信号。通过深入地下,LUNA的研究人员可以减少宇宙射线的背景信号,同时通过用氮气冲洗试验区域,将试验中自然产生的氡气的影响被降到了最低。

在细致地分析了在两次实验的运行中,所获得的伽马射线光谱的微小颠簸之后,研究小组计算了由核聚变产生的锂6元素的速率——发现这一速率与初始预期数值大径相同。“起初,通过我们的实验,我们确实可以研究,锂6元素在一部分的大爆炸能量中的产生反应。”贝默勒说。随后,研究小组利用BBN理论来计算,锂6元素和锂7元素在早期的宇宙中应该存在的比例。其计算结果与先前的预估结果相同,尽管存在偏小的误差,但这依然使得在金属如此贫乏的恒星中,对高阶的锂6元素的观测更加神秘。贝默勒说,“多亏了新的测量方法,我们知道将来会观察到不寻常的锂元素浓度,这并不能由原始的核合成反应创造。”

新物理学的提示?

至于宇宙中绝大多数锂6元素的来源,这以最新测量结果进一步地证明了锂6元素在早期宇宙中不可能被人类伪造的说法。其中一种可能性是因为锂的同位素在恒星耀斑中产生,而另一个更基础的想法是,迄今为止,在未知的物理过程中产生了过量的锂6元素,这使得同位素的宇宙测量成为了超越粒子物理学标准模型的物理学的潜在探究。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. Hamish Johnston-milketeaa

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