우주 리튬 문제

Cosmological lithium problem

천문학에서 리튬 문제 또는 리튬 불일치는 우리 은하의 금속 빈약(인구 II) 후광 별 관측에서 추론한 리튬의 원시적 풍부함과 빅뱅 핵합성+로 인해 이론적으로 존재해야 하는 양 사이의 차이를 말한다.CMB의 WMAP 우주 바이론 밀도 예측. 즉, 빅뱅의 가장 널리 받아들여진 모델은 특히 리튬-7의 3배 많은 원시 리튬이 존재해야 한다고 제안한다.이는 예측과 일치하는 수소(1H·H)와 헬륨(3He·He)의 동위원소가 풍부하게 관측된 것과 대비된다.[1]이러한 불일치는 표준 BBN 예측에서 우주 바이론 함수로써 이러한 원시적 풍요를 묘사하는 천체물리학자 데이비드 슈람을 기리기 위해 명명된 이른바 "슈람 플롯"에서 강조된다.

이 "슈람 플롯"[2]은 표준 BBN 예측에서 우주 바이론 함수로써 Ho, D, Ho, Li의 원초적 숙성을 묘사하고 있다.Li(가로 수직 밴드, 95% CL)와 BBN D+He 일치 범위(가로 수직 밴드, 95% CL)의 CMB 예측은 관측된 광원소 함량(노란색 상자)과 겹쳐서 일치해야 한다.이는 He에서 발생하며 D에서 제약을 많이 받지만 관찰된 Li 관측치가 BBN+보다 3-4의 인자에 놓여 있는 Li의 경우는 아니다.WMAP 예측.

리튬의 기원

빅뱅이 일어난 지 몇 분 후, 우주는 거의 전적으로 수소와 헬륨으로 만들어졌고, 미량의 리튬과 베릴륨이 있었고, 모든 무거운 원소의 소량도 무시할 수 없을 정도로 작았다.[3]

빅뱅의 리튬 합성

빅뱅 핵합성은 리튬-7과 베릴륨-7을 모두 생성했으며, 실제로 후자는 질량 7 핵종의 원초적 합성을 지배한다.반면 빅뱅은 1000배 이상 작은 수준으로 리튬-6를 생산했다.7
4나중에
전자 포획(반감기 53.22일)을 통해 Li로
부패하여 관찰 가능한 원시 리튬 풍부함이
본질적으로 원시 리튬 Li와 Be의
붕괴로부터 방사선 유발 리튬을 합치하도록 한다.

이 동위원소는 반응에 의해 생성된다.

3
1H
 		+ 4
2그
 		→ 7
3리
 		+
γ
3
2그
 		+ 4
2그
 		→ 7
4있다
 		+
γ

에 의해 파괴되었다.

7
4있다
 		+
n
 		→ 7
3리
 		+
p
7
3리
 		+
p
 		→ 4
2그
 		+ 4
2그

빅뱅에서 발생되는 리튬의 양을 계산할 수 있다.[4]수소-1은 우주에서 원자의 약 92%를 구성하고 헬륨-4초는 8%로 구성된 가장 풍부한 핵종이다.H, H, H, H, Li, Li, Be를 포함한 다른 동위원소들은 훨씬 희귀하다; 원초 리튬의 추정 풍부도는 수소에 비해−10 10이다.[5]H와 He의 계산된 풍부함과 비율은 젊은 별들의 관측 자료와 일치한다.[3]

P-P II 지점

참고 항목:리튬 연소

별에서 리튬-7은 양성자-양성자 연쇄반응으로 만들어진다.

프로톤-프로톤 II 연쇄 반응
3
2그
 		+ 4
2그
 		→ 7
4있다
 		+
γ
7
4있다
 		+
e−
 		→ 7
3리-
 		+
ν
e 		+ 0.861 MeV / 0.383 MeV
7
3리
 		+ 1
1H
 		→ 2
 헤

P-P II 분기는 14~23MK의 온도에서 우세하다.

처음 몇 개의 원소의 안정적인 핵종

리튬의 관찰 풍부성

리튬이 이론적으로 풍부하지 않음에도 불구하고 실제 관측 가능한 양은 계산된 양보다 3-4배 적다.[6]이는 예측과 일치하는 수소(1H·H)와 헬륨(3He·He)의 동위원소가 풍부하게 관측된 것과 대비된다.[1]

태양계 내 화학 원소의 풍부함.수소와 헬륨이 가장 흔하며 빅뱅의 패러다임 내에 잔차가 존재한다.[7]Li, Be, B는 빅뱅과 항성에서도 잘 합성되지 않기 때문에 드물다. 이러한 원소의 주요 근원은 우주 광선 분광이다.

나이 든 별들은 리튬이 필요한 것보다 적은 것 같고, 젊은 별들은 훨씬 더 많은 것을 가지고 있는 것 같다.[8]나이 든 별에서 리튬이 부족한 것은 리튬이 파괴되는 항성 내부에 '믹싱'되면서 생긴 것으로 보이는 반면,[9] 리튬은 젊은 별에서 생산된다.섭씨 240만 도 이상의 온도에서 양성자와의 충돌로 인해 헬륨 원자 두 개로 변환되지만(대부분의 항성은 내부에서는 이 온도를 쉽게 도달한다) 리튬은 현재의 계산이 후세대 별에서 예측하는 것보다 풍부하다.[10][11]

리튬의 증거가 발견된 것은 2013년 노바 센타우리가 처음이다.[12]

리튬은 또한 갈색 왜성 하위 항성 물체와 어떤 변칙적인 주황색 항성에서도 발견된다.리튬은 보다 시원하고 질량이 적은 갈색 왜성에는 존재하지만, 더 뜨거운 적색 왜성에서는 파괴되기 때문에, 항성의 스펙트럼에 존재하는 리튬의 존재는 "리튬 테스트"에서 사용될 수 있는데, 이는 둘 다 태양보다 작기 때문이다.[10][11][13]

행성이 있는 태양과 같은 항성의 리튬 감소

행성이 없는 태양과 같은 항성은 500개의 항성 표본에 행성이 있는 태양과 같은 항성보다 리튬이 10배 더 많다.[14][15]태양의 표면층은 표면 대류구가 리튬을 태울 만큼 뜨겁지 않음에도 불구하고 원래 형성된 원형극 가스 구름의 리튬을 1% 미만으로 가지고 있다.[15]행성의 중력 당김이 항성 표면의 찌그러짐을 강화시켜 리튬 연소가 일어나는 더 뜨거운 중심부로 리튬을 몰고 갈 수 있다는 의심을 받고 있다.[14][15]리튬의 부재는 또한 새로운 행성계를 찾는 방법이 될 수 있다.[14]그러나, 이 주장된 관계는 행성 천체물리학계에서 논쟁거리가 되어 자주 부인되기는[16][17] 하지만 또한 지지를 받고 있다.[18][19]

금속이 부족한 항성에서 예상보다 높은 리튬

어떤 오렌지 별들은 또한 높은 리튬 농도를 포함할 수 있다.[20]중력이 무거운 리튬을 수소-헬리움 별 표면으로 끌어당겨 더 많은 리튬을 관측하게 하는 중성자 별이나 블랙홀 같은 리튬 궤도를 도는 리튬의 농도가 평소보다 높은 것으로 밝혀진 이 주황색 별들은 중력이 수소-헬리움 별의 표면으로 명백하게 끌어당긴다.[10]

제안 솔루션

가능한 해결책은 크게 세 종류로 나뉜다.

천체물리학적 해법

BBN 예측이 건전할 가능성을 고려했을 때 원시 리튬 풍부성의 측정값은 오류여야 하며 천체물리학적 해결책은 그것에 수정을 제공한다.예를 들어, 이온화 보정 및 부정확한 항성 온도 결정을 포함한 체계적 오류는 항성의 Li/H 비율에 영향을 미칠 수 있다.게다가, 현재의 리튬 수준은 항성의 초기 풍부함을 반영하지 않을 수 있기 때문에 리튬 고갈에 대한 더 많은 관찰이 여전히 중요하다.요약하면 원초 리튬 풍부성의 정확한 측정은 현재 진행의 초점이며, 최종 답이 천체물리학적 해법에 있지 않을 수도 있다.[6]

핵물리학 해법

측정된 원시 리튬 풍부도가 정확하고 입자물리학의 표준 모델과 표준 우주론에 근거할 가능성을 고려할 때 리튬 문제는 BBN 광원소 예측의 오류를 내포한다.표준 BBN은 잘 정해진 물리학에 의존하지만, 약하고 강한 상호작용은 BBN에게 복잡하기 때문에 표준 BBN 계산의 약점이 될 수 있다.[6]

첫째로, 부정확하거나 누락된 반응은 리튬 문제를 야기할 수 있다.부정확한 반응에 대해, 최근의 연구에 따르면, 주요 생각은 단면 오류와 표준 열핵 비율에 대한 수정 안에 있다.[21][22]

둘째로, 3알파 공정의 중요한 요소인 탄소-12에서 공명을 발견한 프레드 호일의 발견에서 출발하여, 공진 반응, 그 중 일부는 실험 탐지를 회피했을 수도 있거나 효과가 과소평가된 것이 리튬 문제에 대한 가능한 해결책이 된다.[23][24]

표준 모델을 벗어난 솔루션

모든 정확한 계산의 가정 하에서, 기존의 표준 모델 또는 표준 우주론을 벗어난 솔루션이 필요할 수 있다.[6]

암흑물질 붕괴와 초대칭은 하나의 가능성을 제공하는데, 붕괴하는 암흑물질 시나리오는 BBN 기간과 이후에 빛 원소를 바꿀 수 있는 풍부한 일련의 새로운 과정을 도입하고 초대칭 우주론에서 잘 동기화된 근원을 찾는다.완전하게 작동하는 대형 하드론 충돌기(LHC)를 사용하면 입자물리학 및 우주론에 혁명을 일으킬 수 있는 초대칭성의 상당 부분이 도달 범위 내에 위치하지만,[6] 2020년 ATLAS 실험 결과 많은 초대칭 모델을 배제했다.[25][26]

근본적인 상수를 바꾸는 것은 하나의 가능한 해결책이 될 수 있고, 그것은 첫째로, 고적재 지역에 살고 있는 금속의 원자 전환이 우리 것과 다르게 행동할 수 있다는 것을 암시한다.또한 표준 모델 커플링과 입자 질량은 다를 수 있다. 셋째, 핵물리학 매개변수의 변화가 필요하다.[6]

비표준 우주론은 다른 지역에서 광자 대비 2차원의 비율의 변화를 나타낸다.하나의 제안은 우주론 원리에 정의된 동질성과는 다른 우주 밀도의 대규모 불균형의 결과물이다.그러나 이 가능성에는 이를 시험하기 위해서는 많은 양의 관측치가 필요하다.[27]

대중문화에서

미국 음악가 리티움 티에프는 젊은 우주에서 리튬-7을 훔쳐온 암호 해독제를 상상하며 우주 리튬 문제에 대한 우스개 해결책으로 자신들의 이름을 선택했다고 한다.[28]

참고 항목

참조

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