Under de senaste decennierna har forskare brottats med ett problem som involverar Big Bang Theory. The Big Bang Theory föreslår att det borde vara tre gånger så mycket litium som vi kan observera. Varför finns det en sådan diskrepans mellan förutsägelse och observation?
För att komma in på det problemet, låt oss backa lite.
Big Bang Theory (BBT) stöds väl av flera bevis och teorier. Det är allmänt accepterat som förklaringen till hur universum började. Tre viktiga bevis stöder BBT:
- observationer av Kosmisk mikrovågsugn bakgrund
- vår växande förståelse för universums storskaliga struktur
- grov överensstämmelse mellan beräkningar och observationer av förekomsten av primordiala lätta kärnor (Försök INTE att säga detta tre gånger i snabb följd!)
Men BBT har fortfarande några knasiga frågor.
Det saknade litiumproblemet är centrerat kring de tidigaste stadierna av universum: från cirka 10 sekunder till 20 minuter efter Big Bang. Universum var superhett och expanderade snabbt. Detta var början på det som kallas Foton epok .
Vid den tiden, atomkärnor bildas genom nukleosyntes . Men den extrema värmen som dominerade universum hindrade kärnorna från att kombineras med elektroner för att bilda atomer. Universum var en plasma av kärnor, elektroner och fotoner.
Endast de lättaste kärnorna bildades under denna tid, inklusive det mesta av helium i universum, och små mängder andra lätta nuklider, som t.ex. deuterium och vår vän litium. För det mesta bildades inte tyngre grundämnen förrän stjärnor dök upp och tog på sig rollen som nukleosyntes.
Problemet är att vår förståelse av Big Bang säger oss att det borde finnas tre gånger så mycket litium som det finns. BBT har rätt när det kommer till andra urkärnor. Våra observationer av primordialt helium och deuterium matchar BBT:s förutsägelser. Hittills har forskare inte kunnat lösa denna inkonsekvens.
Men en ny papper från forskare i Kina kan ha löst pusslet.
Ett antagande i Big Bang-nukleosyntesen är att alla kärnor är i termodynamisk jämvikt och att deras hastigheter överensstämmer med vad som kallas den klassiska Maxwell-Boltzmann-fördelningen. Men Maxwell-Boltzmann beskriver vad som händer i vad som kallas en idealisk gas . Verkliga gaser kan bete sig annorlunda, och det här är vad forskarna föreslår: att kärnor i plasman från universums tidiga fotonperiod betedde sig något annorlunda än man trodde.
Den här grafiken visar fördelningen av tidiga primordiala ljuselement i universum efter tid och temperatur. Temperatur längst upp, tid längst ner och överflöd på sidan. Bild: Hou et al. 2017
Författarna använde så kallad icke-extensiv statistik för att lösa problemet. I grafen ovan förutsäger de prickade linjerna i författarens modell ett lägre överflöd av berylliumisotopen. Detta är nyckeln, eftersom beryllium sönderfaller till litium. Nyckeln är också att den resulterande mängden litium, och av de andra lättare kärnorna, nu alla överensstämmer med de mängder som förutsägs av Maxwell-Boltzmann-fördelningen. Det är ett eureka-ögonblick för kosmologifantaster.
Förfallskedjorna av ursprungliga lätta kärnor i universums tidiga dagar. Lägg märke till de tunna röda pilarna mellan Beryllium och Litium vid 10-13, den tidigaste tiden som visas på detta diagram. Bild: Chou et. al.
Vad allt detta betyder är att forskare nu exakt kan förutsäga överflöd i uruniversumet av de tre urkärnorna: helium, deuterium och litium. Utan någon diskrepans och utan att litium saknas.
Detta är hur vetenskapen slipar bort problem, och om författarna till artikeln har rätt, så validerar den Big Bang-teorin ytterligare och tar oss ett steg närmare att förstå hur vårt universum bildades.
Eureka!