Знание-сила, 2009 № 09 (987)

Литий +…

Борис Булюбаш

Современная космология, по вполне понятным причинам, — один из самых привлекательных для широкой публики разделов современной физики. Язык космологов необычайно выразителен: раздувающаяся Вселенная, червоточины пространства-времени, черные дыры, темная материя, красные и коричневые карлики и так далее. Отчасти по этой причине американский научный журналист Джон Хорган[3] определяет космологию как науку, «которую нельзя эмпирически протестировать или решить ее задачи в принципе». По его словам, цель космологов — «держать нас в благоговении перед тайной космоса».

Не стоит, однако, забывать, что все революции в космологии связаны с появлением новой наблюдательной информации. Так, специалист в области истории науки и техники, профессор Орхусского университета в Дании Хелге Краг считает, что история космологии свидетельствует об исключительно важной роли инструментов в развитии фундаментальной науки. Например, без радиотелескопа (массовое использование которого в астрономии началось после Второй мировой войны) не было бы сделано одно из важнейших открытий двадцатого столетия — открытие реликтового излучения.

Активное изменение образа Вселенной произошло после того, как астрономы, получив в свое распоряжение рентгеновские и инфракрасные телескопы, «вышли» за пределы видимого спектра. Исключительное значение имела также информация, которой они стали располагать после начала работы первых орбитальных телескопов. А большим событием последних лет стал для космологов запуск зондов, изучающих флуктуации реликтового фона. Речь идет в первую очередь об исследовательском зонде космического фона COBE (Cosmic Background Explorer) и зонде микроволновой анизотропии имени Вилкинсона WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).

Информация, полученная с этих зондов, позволила установить анизотропию реликтового излучения и измерить флуктуации его температуры в зависимости от направления. Что, в свою очередь, дало возможность уточнить численное значение одного из важнейших космологических параметров — отношения средней плотности числа барионов к средней плотности числа фотонов (барионы — одно из семейств элементарных частиц, в которое входят, в частности, протоны и нейтроны). Фактически же мы имеем дело с отношением плотности вещества к плотности излучения.

Количество барионов, приходящихся на один фотон, было для ранней Вселенной весьма важным параметром, влияющим на процесс образования ядер изотопов легких элементов: водорода, гелия, лития и бериллия. Начавшийся через секунду после Большого Взрыва, этот процесс закончился на 200-й (!) секунде и известен как нуклеосинтез Большого Взрыва. Элементы же тяжелее лития образовались в ходе термоядерных реакций в звездах. При этом существенным для дальнейшего рассказа является тот факт, что во Вселенной литий в основном представлен изотопом Li-7; другой изотоп лития — Li-6 — присутствует в космосе лишь в незначительных количествах.

До запуска зондов COBE и WMAP информация об уровне присутствия во Вселенной легких элементов как раз и позволяла оценить количество барионов, приходящихся на один фотон. После анализа поступившей с зондов информации ситуация сменилась на противоположную: измеренное с помощью зондов соотношение между барионами и фотонами позволило скорректировать теорию нуклеосинтеза Большого Взрыва — а следовательно, изменить представления о том, как распространены во Вселенной легкие элементы.

По современным расчетам, на миллион атомов водорода во Вселенной должно приходиться приблизительно 80 000 атомов He-4, 10 атомов дейтерия и изотопа водорода H-3, а также одна десятитысячная атома изотопа Li-7.

По словам Гэри Стеймана из Университета штата Огайо, зафиксированный в настоящее время уровень присутствия в космосе атомов дейтерия и гелия более-менее соответствует теории нуклеосинтеза. Иначе обстоит дело с литием: теория нуклеосинтеза предсказывает в три раза большее количество изотопа Li-7 во Вселенной, нежели следует из наблюдений. А два года назад Мартин Асплунд из Астрофизического института Макса Планка (Германия), исследовав химический состав 24 звезд, пришел к выводу, что изотопа Li-6 в них содержится в 1000 раз больше, чем предсказывает теория нуклеосинтеза. Вполне естественно, что космологи весьма серьезно отнеслись к «литиевой проблеме»: согласие между теорией нуклеосинтеза и данными о распространенности легких элементов считалось важнейшим аргументом в пользу нарисованной космологами картины эволюции Вселенной. И соответственно в пользу самой теории нуклеосинтеза. «Если проблема с литием действительно существует, а астрофизикам так и не удастся ее объяснить, то ситуацию следует признать весьма печальной» — эти слова Гэри Стеймана приводит журнал New Scientist.

В то же время далеко не все считают «литиевую проблему» поводом для пересмотра теории нуклеосинтеза. Эксперты напоминают: основная часть ядер лития возникла не в первые минуты существования Вселенной; эти ядра стали формироваться значительно позже, в процессе звездной эволюции и в ходе столкновений между частицами космических лучей и частицами межзвездного газа.

Анализируя литиевую проблему, следует прежде всего проверить наблюдения самого Асплунда, у которого, кстати, на анализ собственных данных ушло целых пять лет. Одна из причин этого была в плохой видимости некоторых спектральных линий: линия Li-6 в звездных спектрах перекрывалась линией Li-7, превышавшей ее по интенсивности в 20 раз. Как сказал корреспонденту New Scientist Роберт Кайрел из Парижской обсерватории, адекватного решения проблемы Li-6 в настоящее время не существует. Кайрел, сомневаясь в результатах Асплунда, вместе с несколькими коллегами выполнил в 2007 году независимое исследование спектра одиночной звезды. В то же время, как сообщает New Scientist, Асплунд и сам перепроверяет полученные им результаты. Недавно, используя телескоп обсерватории Keck на Гавайях, он исследовал химический состав еще 10 звезд; предварительные результаты позволяют предполагать даже больший избыток Li-6, нежели представлялось ранее.

Хотя реальность «литиевой проблемы» и остается под вопросом, физики-теоретики активно ее обсуждают. Работающий в Оксфордском университете космолог Джозеф Силк не сомневается, что именно в поисках решения «проблемы лития» появится новая теория элементарных частиц. Как сказал Силк корреспонденту журнала New Scientist, «я не могу поверить, что эта проблема связана исключительно с физикой звезд». По мнению многих теоретиков, решение «литиевой проблемы» следует искать с помощью теории суперсимметрии. Ее сторонники предлагают, как известно, отказаться от принятой в физике элементарных частиц Стандартной модели, а одной из главных идей теории суперсимметрии является идея о существовании у всех элементарных частиц массивных «частиц-партнеров».

Эта теория, по мнению ее сторонников, позволяет снять с повестки дня и проблему недостаточного количества атомов Li-7, и проблему избыточного количества атомов Li-6. Теоретик Максим Поспелов из Perimeter Institute in Waterloo (Онтарио, Канада), решение «проблемы лития» связывает с гипотезой о существовании стаусов (staus) — тяжелых партнеров тау-лептонов. Расчеты Поспелова показывают, что стаусы — если допустить, что они существуют — будут образовывать связанные состояния с ядрами Be-7. Этот факт весьма важен, поскольку теория нуклеосинтеза объясняет появление лития соединением ядра Be-7 с нейтроном, в результате чего возникают ядра изотопа Li-7 и рождаются протоны. Если же Be-7 будет образовывать связанные состояния со стаусами, то в этом состоянии он, согласно расчетам, будет захватывать протоны. Образующееся в результате этого гибридное состояние ядра Be-8 и стауса должно распасться на два ядра He-4. А это, в свою очередь, означает, что теория суперсимметрии не предсказывает те процессы нуклеосинтеза, которые и приводят к появлению во Вселенной атомов лития.

Другое «суперсимметричное» решение «проблемы лития» предлагает физик-теоретик Карстен Джедамзик из французского университета Montpellier. Его расчеты показывают, что теорией суперсимметрии допускается существенно более раннее — по сравнению с теорией нуклеосинтеза — образование ядер Li-7. В это случае ядра Li-7 имеют шанс быстро разрушиться, поскольку температура Вселенной тем выше, чем меньше ее возраст.

При всем этом мы не должны забывать, что для самой теории суперсимметрии экспериментальные подтверждения на данный момент отсутствуют. Это обстоятельство специально подчеркивает Андреас Корн, считающий более правдоподобными такие объяснения «проблемы лития», которые основаны на анализе происходящего в недрах звезд. В целом же «проблема лития» ставит перед космологией проблему выбора: либо признать, что уровень собственного понимания физики звезд явно недостаточен, либо отказаться от Стандартной модели. Пока же космологи ожидают начала активных исследований на Большом Адронном Коллайдере и соответственно подтверждения (или опровержения) теории суперсимметрии. Все происходящее отлично иллюстрирует идеи профессора Хелге Крага и его слова о той роли, которую «инструментальная техника сыграла в формировании наших представлений о Вселенной в целом».