【原】宇宙論上的“鋰問題”，解決需要超越標準理論的新物理學嗎？

宇宙論上的“鋰問題”，解決需要超越標準理論的新物理學嗎？

9月1日 10:30發布

歐洲宇宙機構( ESA )的歐幾里得宇宙望遠鏡拍攝的球狀星團NGC 6397。 在天琴座方向約7800光年的距離處，是宇宙初期形成的非常古老的球狀星團，金屬(重元素)量明顯較少( esa/Euclid/Euclid consortium/NASA，image processing by j.- c

一方面，鋰目前對電動汽車和智能手機的需求非常高漲，另一方面，鋰繼續將天體物理學的理論推向極限。 關于輕金屬鋰在宇宙誕生時的原始存在量的謎團，如今已經困擾了天體物理學者20多年，作為宇宙論中的鋰問題而聞名。 要最終解決這個謎題，可能需要新的物理學。 這個問題的核心在于，鋰的穩定同位素之一，對于由3個質子和4個中子構成的鋰7(7Li )，存在量的觀測值大大低于理論預測值。 瑞典烏普薩拉大學恒星天體物理學家安德烈·斯科恩在首都斯德哥爾摩接受采訪時表示，初期宇宙中，一個鋰原子核就有20億個氫原子核。 古老銀河hello星中鋰7存在量的觀測值為宇宙誕生后不久發生的基于大爆炸元素合成( BBN )的鋰7生成量的理論預測值的二分之一~三分之一。 BBN是(宇宙誕生幾分鐘后)生成氫、氦、微量鋰和鈹這第一種輕元素的過程。 鋰雖然不是稀土元素，但卻是宇宙中非常稀有的元素之一。 在現在的宇宙中，存在量只有氫的約十億分之一，氧的十萬分之一。 科恩指出，為什么這成為問題？鋰7的問題之所以重要，是因為它帶來了BBN唯一未解決的觀測和理論的不一致。 據說大爆炸中生成的鋰7的量過多，觀測到的古老星球中所含的量過少。 如果這個問題不能用傳統理論解決，新物理學的大門本質上是敞開的。 科恩說，通過BBN或某種其他觀測等揭示宇宙中存在的奇怪暗物質的真正性質，將是基礎物理學的巨大變革。 物理學家知道基本粒子物理學的標準理論是不完整的。 科恩指出，為了對新物理學的范圍施加更多的限制，物理學家當然會尋找宇宙中奇怪暗物質引力效應以外的未被發現的線索。 據說BBN的不一致可能會給我們提供這樣的線索。 人們期待著通過傳統物理學的這種擴展，同時也能解釋難以觀測的宇宙暗物質。

圍繞宇宙鋰問題的新物理學和恒星物理學

鋰問題在2011年的評論論文中得到了適當的說明。 在這篇刊登在學術雜志annual reviews of nuclear and particle science上的論文中，撰文人布萊恩·菲爾茲指出，BBN作為探索宇宙的手段是最古老可靠的。 但是，菲爾茲記載，鋰7的觀測值至少是理論預測值的三分之一。 在菲爾茲的論文發表以來的這14年間，解決鋰7不一致的進步只停留在漸進的狀態。 太陽中微子的高精度觀測也標志著新的物理學方向。 科恩說，將原子核反應網絡應用于太陽，可以預測核聚變反應中生成的中微子的個數，但已發現電子中微子的數量會低于預測值。 據說電子中微子在到達地球的過程中，通過一個叫做中微子振蕩的過程變成另一種中微子。 從BBN中也可以看出初期宇宙中存在著3種中微子。 根據BBN的預測值和觀測值的不一致，原理上也許可以得到關于新物理學的線索。 但是，科恩指出，這個問題的大部分有可能通過傳統的恒星物理學輕易解決。 在BBN的情況下，鋰只是微量元素。 在太陽的情況下，鋰會因攪拌而到達溫度超過250萬度的下部層而損壞，因此會失去99.5%的鋰。 根據追尋古老星球的錐，圍繞銀河系(銀河系)的暈圈區域分布的恒星是非常古老的金屬缺乏星，通過調查暈圈星有可能追尋100億~120億年前的宇宙狀態。 ■恒星內部的攪拌，但問題是，天文學家為了查明通過攪拌到達觀測對象恒星內部深處的鋰和其他元素的量是多少，付出了很大的努力。 特別是，理論天文學家需要知道在恒星外側的對流層和恒星內部的邊界，鋰的攪拌發生了多少。 玉米解釋說，和在熱湯鍋里一樣，運到對流層底部的恒星物質會達到250萬度的溫度而被破壞。

未來解決宇宙鋰問題的展望

《硬功錐》指出，過去幾十年，所有基本粒子物理學家、原子核理論學家和觀測天體物理學家都致力于研究，以解決觀測到的鋰7比理論預測少的問題。 科恩指出，理解因恒星而減少的鋰的量是多少是很重要的。 之所以這么說，是因為只有這樣才能科學地處理尚未解決的宇宙論鋰問題。 ■未來的觀測計劃根據天文學雜志Experimental Astronomy刊登的2021年的論文，以觀測星震(恒星的振動)調查內部為目的的歐洲宇宙機構( ESA )的探測計劃“Haydn ( high precision asteronomy )” 發射后的觀測對象將是銀河系和附近矮星系中金屬缺乏球狀星團的恒星。 HAYDN是為了通過被稱為星震學的過程更詳細地理解大麥哲倫云和小麥哲倫云等附近矮星系和銀河系中鋰的實際存在量而必不可少的探測計劃。 星震學為了調查恒星內部，利用恒星的振動(如字面所示是恒星內部的地震波)。 科恩指出，通過HAYDN的太空望遠鏡獲得的觀測數據，有助于理論天文學家對恒星內部破壞的鋰7的量有多少施加更恰當的制約。 ■恒星解決？ 科恩說，他支持至少部分或相當大部分鋰問題是恒星問題的說法。 玉米繼續說，盡管如此，這仍然是一個很難的問題。