Вселенская тайна легкого элемента

Недавнее открытие астрофизиков поколебало традиционное представление о ранних этапах эволюции Вселенной. Согласно последнему, после Большого взрыва образовалась смесь водорода, в которой имеется малая толика гелия и совсем немного лития. Но вот ученые обнаружили звезду первого поколения, под завязку набитую этим элементом. Откуда же он там взялся?

Фото:

Шаровое звездное скопления — одно из самых красивых зрелищ, которые можно увидеть с помощью телескопа. Сферическое облако сверкающих бриллиантами звезд на черном бархате космических глубин считается долгожителем Вселенной. Вокруг Млечного Пути по своим траекториям движутся более 150-ти этих замечательных объектов, и звезды в них тоже самые старые, они родились задолго до нашего Солнца!

Ближе остальных к Солнечной системе расположено шаровое скопление Мессье 4 - до него 7 200 световых лет. Полагают, что звезды в нем вдвое старше Солнца. И одно из светил скопления, система PSR B1620-26, в которой недавно нашли экзопланеты, может считаться патриархом, поскольку ее возраст исчисляется 13-ю миллиардами лет! Чем же отмечены звезды, родившиеся на заре Вселенной? Их особенности очень важны, поскольку они существовали дольше всех иных светил…

Ученые Европейской южной обсерватории, объединенные в коллективном проекте 15 стран Европы, с помощью мощного телескопа с адаптивной оптикой, который носит название Очень большого телескопа, обнаружили необычный состав у самых древних звезд по их спектральным характеристикам. Эти первые загоревшиеся во Вселенной светила появились через 0,7-1,5 миллиарда лет от начала времен, которое принято называть Большим взрывом.

Из этого следует, что у них должна быть очень низкая металличность, поскольку львиная доля первоначально возникшей материи — самые легкие элементы, преимущественно водород. Так принято считать, хотя есть и иные предположения. Именно новые экспериментальные исследования должны внести ясность в начальные процессы формирования звезд из праматерии после Большого взрыва.

Спектральные исследования звезд в шаровом скоплении Мессье 4 позволяют как подтвердить ортодоксальную точку зрения (преимущество легких элементов в начале жизни Вселенной), так и допустить возможность иного формирования элементного состава первоматерии Вселенной. Действительно, большинство звезд в Месье 4 состоят из легких элементов. Но одна звездочка под номером 37934, карлик, предъявила такое количество лития — 2,87 процента, что поразила специалистов.

По теоретическим предположениям, литий обязательно должен был исчезнуть за столь долговременную жизнь светила. Это демонстрируют все многочисленные соседи карлика №37934. Ранее нигде во Вселенной ничего подобного не наблюдали.

Согласно предположениям о судьбе лития в звездах шаровых скоплений, он должен был диффундировать вглубь небесного тела, будучи сравнительно тяжелым элементом. Но единственное экспериментальное обнаружение аномального по содержанию лития объекта-карлика толкает на поиски иного решения эволюции такой звезды.

Итак, в одном из самых заурядных тел шарового скопления лития оказалось очень много. Очевидно, что оно либо сохранило первоначальный литий (тогда нужны коррективы к теории эволюции звезд), либо обогатилось свежим литием, дополнившим его запас на звезде. Теоретически подобное возможно (если рядом был компаньон, у которого запас этого металла весьма велик), но такая ситуация чрезвычайно экзотическая, и обосновать ее затруднительно. На фоне громадного количества одинаковых звезд подобная аномалия практически невероятна.

Теория Большого взрыва формулирует следующие представления о первых секундах рождения Вселенной: появление самых легких субатомных частиц, смеси из преимущественно водорода, малой толики гелия и совсем малой — лития. Однако, противоречие на сегодняшний день состоит в том, что, по модельным расчетам, лития должно быть больше, чем обнаруживается в окружающем космическом пространстве Вселенной. Спектральные наблюдения достаточно точны, и списать расхождение на ошибки измерений невозможно. Куда же девался литий или каковы погрешности в теории?

Возможно, литий "утонул" в глубинах звезд, и его просто не видно в наблюдениях. Это отчасти подтвердилось при исследовании атмосфер старых звезд на окраинах Млечного Пути. Эти звезды находятся вдали от ядра Галактики, где литий может нарабатываться в процессах синтеза, и должна сохраняться первоначальная концентрация лития. Обнаруженная величина равна одной трети от модельной величины.

Кристофер Хок из Университета Нотр-Дам (Индиана, США) и его соавторы проверили наличие лития по данным о Малом Магеллановом Облаке, галактике-спутнику Млечного Пути. Специалисты проанализировали компоненты межзвездного газа в этой галактике, поскольку в газовой среде литий отчетливо выявляется — ему здесь просто не в чем тонуть.

По наблюдениям Очень большого телескопа Европейской южной обсерватории астрономы выявили именно то количество лития, которое предсказано моделью Большого взрыва, об этом была опубликована работа в журнале Nature. Это тоже не закрывает сложный вопрос наличия лития во Вселенной. Этот легкий элемент постоянно возникает во Вселенной, а сверхновые взрывами распределяют его по Метагалактике, как и все остальные элементы, синтезированные в термоядерных процессах.

Новые результаты, по словам Кристофера Хока, лишь усугубили литиевую загадку: "Говорить о решении этой проблемы можно только в том случае, если со времен Большого взрыва никаких изменений в количестве имеющегося лития не происходило". И это только в применении к масштабам Малого Магелланова Облака!

Удивительно то обстоятельство, что за 12-13 миллиардов лет термоядерного синтеза созданы трансурановые тяжелые элементы, все разнообразие элементов таблицы Менделеева, которые делают возможной жизнь на Земле, а концентрацию лития объяснить не удается.

Тем более, что в новой работе Мигеля Пато из Мюнхенского технического университета (Германия) и Фабио Йокко из Стокгольмского университета (Швеция) показано, что не только сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик, но и самые обычные многочисленные черные дыры звездного происхождения должны генерировать литий в своих аккреционных дисках весьма интенсивно. То есть практически каждый микроквазар (система черной дыры и аккреционного диска) должен производить тонны этого металла.

Читайте также: Откуда на Луне взялся гелий?

Еще одно предположение Кристофера Хока постулирует наличие неких экзотических с физической точки зрения реакций сразу после Большого взрыва, в которых замешана темная материя, которая подавляла образование лития. Это могло бы объяснить большее количество лития в Малом Магеллановом Облаке, чем в нашей Галактике. Проверить эту идею Хок намерен в дальнейшем изучении Малого Магелланова Облака. Тяжелая загадка легкого лития пока далека от окончательного решения.