Лишний литий в звездах

Новые технологии готовят новую революцию в космологии

Гигантское шаровое скопление М13 в созвездии Геркулеса. В самом начале 2001 года группа астрофизиков, проводившая наблюдения на 3,5-метровом телескопе WIYN Национальной обсерватории Китт-Пик (США) сообщила об открытии здесь красных гигантов с необычно высоком содержанием лития. Его объясняли особенности звездной эволюции. Фото: N.A.Sharp, REU program/NOAO/AURA/NSF

По мере того как в распоряжении астрофизиков оказываются все новые и все более мощные исследовательские инструменты, сами астрофизики получают возможность проводить весьма детальный химический состав далеких звезд. А как только оказывается возможным последнее, тут же выясняется, что относительное содержание элементов в звездах отнюдь не соответствует предсказаниям теории. Главные неприятности подобного рода относятся к легким элементам — прежде всего, к . Впервые эти аномалии обнаружились ещё в 90-е годы, но новые данные все больше указывают на необходимость пересмотра базовых теоретических концепций.

Одним из наиболее важных параметров современных космологических теорий служит количество барионов (протонов и нейтронов), приходившихся на один фотон. Именно он определяет, как идет процесс образования изотопов водорода и гелия в ранней Вселенной. Этот процесс, называемый первичным нуклеосинтезом, начался спустя одну секунду после Большого взрыва, закончился на двухсотой. Лишь немного отстает от него нуклеосинтез лития и бериллия, причем литий большей частью присутствует во Вселенной в виде изотопа 7Li, и частично — в виде изотопа 6Li. Весьма существенно, что на этом собственно первичный нуклеосинтез заканчивается: элементы тяжелее лития образуются уже в ходе термоядерных реакций в звездах.

Радикальный прогресс в представлениях об устройстве Вселенной был достигнут с «выходом» астрономических наблюдений за пределы видимого спектра, с созданием рентгеновских и инфракрасных телескопов, а также с информацией, которая появилась у астрономов после запуска первых орбитальных телескопов. Однако не следует забывать и о постоянном совершенствовании более традиционных средств изучения космоса: зеркальных телескопах и телескопах-рефракторах, о прогрессе в методах обработки информации. Большим событием для космологии стал запуск зондов для изучения флуктуаций реликтового фона. В первую очередь — это исследовательский зонд космического фона COBE () и зонд микроволновой анизотропии им. Вилкинсона WMAP ().

До запуска зондов COBE и WMAP именно информация о распространенности легких элементов в окружающей нас Вселенной (в первую очередь, изотопа водорода дейтерия) давала возможность количественно оценить соотношение между фотонами и барионами. Теперь же ситуация в некотором смысле стала обратной. Располагая существенно более надежной информацией об этом соотношении, космологи внесли коррективы в теорию первичного нуклеосинтеза и уточнили её выводы относительно распространенности в космосе легких элементов.

Желтый карлик HD 82943 в созвездии Гидры. Аномально высокое содержание редкого изотопа лития-6 в его атмосфере казалось очень странным. В соответствии с теоретическими предсказаниями, он должен был весь «выгореть» еще на ранних стадиях эволюции звезды. Наиболее вероятной гипотезой считается, что литий попал туда при поглощении звездой своих планет. Иллюстрация: Gabi Perez (IAC)

Согласно этим уточнениям, на каждый миллион атомов водорода (Н) должно приходиться приблизительно 80 000 атомов гелия (4He), несколько десятков атомов дейтерия (2Н) и изотопа гелия 3He, а также одна десятитысячная атома изотопа 7Li (иначе говоря, на один атом 7Li приходится десять миллиардов атомов водорода!). Вот тут-то и начинаются расхождения наблюдений с теорией!

Наблюдаемый уровень распространенности дейтерия вполне согласуется с теорией нуклеосинтеза. В отношении изотопов гелия ситуация несколько хуже, однако и здесь расчеты примерно соответствуют наблюдениям. Иначе обстоит дело с литием: теория нуклеосинтеза предсказывает втрое большее количество изотопа 7Li во Вселенной, чем следует из наблюдений. И если в начале 2000-х годов была надежда объяснить аномалии в содержании изотопов лития в звездах , то два года назад, после публикации статьи Мартина Асплунда () и его сотрудников из Астрофизического института Общества им. Макса Планка () в Астрофизическом журнале (), стало окончательно ясно, что простыми объяснениями дело не ограничится.

Мартин Асплунд провел спектроскопические исследования химического состава двадцати четырех звезд и зафиксировал в них необычные, в тысячи раз нежели предсказывает теория нуклеосинтеза. Космологи посчитали «литиевую проблему» весьма серьезной, поскольку именно согласие между теорией нуклеосинтеза и данными о распространенности легких элементов считалось важнейшим аргументом в пользу нарисованной ими картины эволюции Вселенной и, соответственно, в пользу самой теории нуклеосинтеза. «Если проблема с литием действительно существует и астрофизикам так и не удастся её объяснить, то ситуацию придется признать весьма печальной», — приводит слова профессора университета штата Огайо () Гэри Стейгмана () журнал . Впрочем, справедливости ради надо отметить, что тот же самый Стейгман ещё десять лет назад на страницах того же самого журнала предсказывал «кризис в космологии» на основании расхождения на пять порядков в наблюдаемом и теоретическом содержании дейтерия. Со временем расхождение как-то «само собой» рассосалось, и кризис был избегнут.

Так и сейчас далеко не все физики видят необходимость из-за «литиевой проблемы» пересматривать теорию первичного нуклеосинтеза. Они напоминают, что значительная часть ядер лития возникла не в первые минуты существования Вселенной, а значительно позже, в ходе эволюции звезд, а также при столкновениях частиц космических лучей с частицами межзвездного газа. Такую точку зрения подтверждают и результаты, полученные в 2006 году группой Андреаса Корна () из университета Упсалы в Швеции. Используя данные, полученные в в Паранале (Чили), Корн исследовал химический состав восемнадцати звезд, находящихся на разных стадиях своей эволюции. В итоге он пришел к выводу, что в ходе конвекционных процессов в звездах значительная часть атомов лития распадается. Команда Корна рассчитывает уже в этом году проверить полученные результаты в наблюдениях с помощью гавайского телескопа Keck.

Всесторонний анализ литиевой проблемы предполагает также всестороннюю проверку наблюдений самого Асплунда, у которого, кстати, на анализ полученных им данных ушло целых пять лет. Это было связано, в частности, с тем, что в звездных спектрах линия 6Li перекрывается в 20 раз более интенсивной спектральной линией 7Li. «Следует признать, что адекватного объяснения проблемы 6Li в настоящее время не существует», — говорит Роже Кейрель () из Парижской обсерватории (). Недавно он вместе с несколькими коллегами поставил под сомнение результаты Аспалунда и предпринял тщательное исследование .

Спектр звезды Арктур в высоком разрешении, полученный в Национальной обсерватории Китт-Пик (США). Черные линии, соответствующие частотам поглощения электромагнитного излучения в атмосфере звезды, представляют собой настоящий «паспорт», по которому можно судить о ее химическом составе. Иллюстрация: N.A.Sharp, NOAO/AURA/NSF

В то же время Асплунд и сам перепроверяет полученные им результаты. Недавно, используя тот же телескоп Keck, он провел исследования химического состава ещё десяти звезд; предварительные результаты позволяют предполагать даже больший избыток 6Li, нежели предполагалось ранее. В настоящее время группа Асплунда анализирует результаты выполненных наблюдений и рассчитывает ещё в этом году представить для публикации новую статью по этой теме.

Не дожидаясь решения вопроса о реальности «литиевой проблемы», в её обсуждение активно включились теоретики. Так, космолог Джозеф Силк () из Оксфордского университета () убежден, что поиски решения «проблемы лития» приведут к созданию новой теории элементарных частиц. «Я не могу поверить, что эта проблема связана исключительно с физикой звезд», — приводит его слова журнал New Scientist. Большинство идей, которые высказывают теоретики, основано на теории суперсимметрии. Эта теория предполагает отказ от принятой в физике элементарных частиц Стандартной модели; одной из основных «суперсимметричных» идей является концепция существования у всех элементарных частиц «частиц-партнеров» большой массы.

Анализ литиевой проблемы с «суперсимметричной» точки зрения позволяет снять с повестки дня и вопрос о недостатке 7Li, и вопрос об избыточном количестве 6Li. Теоретик Максим Поспелов из канадского Института теоретической физики в Ватерлоо () полагает, что «литиевую проблему» можно решить в рамках суперсимметричной теории элементарных частиц. В её рамках недостаток 7Li по отношению к 6Li может быть следствием существования частиц стау (staus) — тяжелых суперпартнеров тау-лептонов. Действительно, в теории нуклеосинтеза появление лития объясняется соединением ядра 7Be с нейтроном, в результате чего возникает ядро 7Li и испускается протон. А частица стау будет образовывать связанные состояния вместе с ядром 7Be. Такие связанные состояния будут захватывать протоны; образующееся в итоге гибридное состояние ядра 8Be и одного стау распадается на два ядра 4He. Таким образом, в теории суперсимметрии исчезает та реакция нуклеосинтеза, которая ответственна за появление во Вселенной атомов лития.

Та же гипотеза позволяет объяснить и высокий уровень распространенности изотопа 6Li. Дело в том, что через три часа после Большого взрыва она предсказывает возникновение связанного состояния частиц стау с ядрами изотопа 4He. Такое связанное состояние могло в десятки тысяч раз более эффективно вступать в реакцию синтеза с участием дейтерия и образовывать 6Li.

Первичный нуклеосинтез закончился по истечении третьей минуты жизни Вселенной. К этому моменту были «готовы» ядра только самых легких элементов — изотопов водорода, гелия, берилия и лития. А до образования атомов оставался еще миллион лет. Иллюстрация: LLNL

Ещё одно «суперсимметричное» решение литиевой проблемы предлагает французский физик-теоретик Карстен Едамзик () из университета Монпелье () во Франции. Согласно его расчетам, теория суперсимметрии допускает существенно более раннее во времени (по сравнению с теорией нуклеосинтеза) образование ядер 7Li. Между тем, «ранние» ядра обречены на быстрое разрушение, поскольку температура Вселенной тем выше, чем меньше её возраст.

Главная сложность подобных объяснений в том, что теория суперсимметрии не имеет пока экспериментального подтверждения. Поэтому Андреас Корн, к примеру, считает более правдоподобными те объяснения «литиевой проблемы», которые основываются на анализе происходящего в недрах звезд. В целом же проблема с литием ставит космологию перед непростым выбором: либо признать недостаточный уровень собственного понимания физики звезд, либо отказаться от Стандартной модели. Пока же космологи с нетерпением ждут запуска Большого адронного коллайдера — — и вместе с ним подтверждения (или не подтверждения) теории суперсимметрии.

Со времени своего возникновения в начале ХХ века космология продолжает оставаться необычайно популярной областью знаний. В то же время, по выражению известного американского научного журналиста (), это наука, «которую нельзя эмпирически протестировать или решить её задачи в принципе». Он считает, что главная задача космологии — «держать нас в благоговении перед тайной космоса». И действительно, лексика космологов нередко напоминает лексику фантастического романа: раздувающаяся Вселенная, червоточины пространства-времени, черные дыры, темная материя и темная энергия… Значительно реже рассказывается о тех приборах, с помощью которых космологи «наблюдают» Вселенную, отыскивая все новые и новые подтверждения своих фантастических идей.

И именно об этих приборах заговорил на открытии последнего Международного конгресса профессор Орхусского университета () в Дании Хелге Краг (), именно в истории космологии увидевший впечатляющую иллюстрацию влияния инструментальной техники на развитие фундаментальной науки. Открытием реликтового излучения — одного из своих важнейших открытий прошлого века, ставшего центральным моментом в общем принятии горячей модели Вселенной — космология обязана радиотелескопу, массовое использование которого в астрономии началось после Второй мировой войны. Следующей революции в космологии предшествует одновременное создание орбитальных обсерваторий и наземных мощных ускорителей.

Развитие событий вновь иллюстрирует идею профессора Хелге Крага о той решающей роли, которую «инструментальная техника сыграла в формировании наших представлений о Вселенной в целом».

Борис Булюбаш, 05.09.2008