במהלך העשורים האחרונים, מדענים נאבקו בבעיה הקשורה בתיאוריית המפץ הגדול. תיאוריית המפץ הגדול מציעה שיהיו פי שלושה לִיתִיוּם כפי שאנו יכולים לראות. מדוע יש סתירה כזו בין חיזוי לתצפית?
כדי להיכנס לבעיה הזו, בואו נגבה קצת.
תיאוריית המפץ הגדול (BBT) נתמכת היטב על ידי קווי ראיות ותיאוריה מרובים. זה מקובל באופן נרחב כהסבר לאופן שבו היקום התחיל. שלוש עדויות מרכזיות תומכות ב-BBT:
- תצפיות על ה רקע מיקרוגל קוסמי
- ההבנה הגוברת שלנו לגבי מבנה בקנה מידה גדול של היקום
- הסכמה גסה בין חישובים ותצפיות על שפע גרעיני האור הקדומים (אל תנסה לומר זאת שלוש פעמים ברציפות!)
אבל ל-BBT עדיין יש כמה שאלות מטרידות.
בעיית הליתיום החסר מתמקדת בשלבים המוקדמים ביותר של היקום: בערך 10 שניות עד 20 דקות לאחר המפץ הגדול. היקום היה סופר חם והוא התרחב במהירות. זו הייתה ההתחלה של מה שנקרא ה אפוק פוטון .
באותו זמן, גרעיני אטום נוצר דרך נוקלאוסינתזה . אבל החום הקיצוני ששלט ביקום מנע מהגרעינים להתאחד עם אלקטרונים ליצירת אטומים. היקום היה א פְּלַסמָה של גרעינים, אלקטרונים ופוטונים.
רק הגרעינים הקלים ביותר נוצרו במהלך תקופה זו, כולל רוב ההליום ביקום, וכמויות קטנות של גרעיני אור אחרים, כמו דאוטריום והידיד שלנו ליתיום. לרוב, יסודות כבדים יותר לא נוצרו עד שהופיעו כוכבים, ולקחו על עצמם את תפקיד הנוקלאוסינתזה.
הבעיה היא שההבנה שלנו לגבי המפץ הגדול אומרת לנו שצריך להיות פי שלושה יותר ליתיום ממה שיש. ה-BBT מבין נכון כשמדובר בגרעינים קדמוניים אחרים. התצפיות שלנו על הליום ודוטריום קדומים תואמות את התחזיות של ה-BBT. עד כה, מדענים לא הצליחו לפתור את חוסר העקביות הזה.
אבל חדש עיתון מחוקרים בסין אולי פתרו את החידה.
הנחה אחת בנוקלאוסינתזה של המפץ הגדול היא שכל הגרעינים נמצאים בשיווי משקל תרמודינמי, וכי המהירויות שלהם תואמות את מה שנקרא התפלגות מקסוול-בולצמן הקלאסית. אבל המקסוול-בולצמן מתאר את מה שקורה במה שנקרא an גז אידיאלי . גזים אמיתיים יכולים להתנהג אחרת, וזה מה שהחוקרים מציעים: שגרעינים בפלזמה של תקופת הפוטונים המוקדמת של היקום התנהגו קצת אחרת ממה שחשבו.
גרפיקה זו מציגה את התפלגות יסודות האור הקדומים ביקום לפי זמן וטמפרטורה. טמפרטורה לאורך החלק העליון, זמן לאורך התחתון, ושפע בצד. תמונה: Hou et al. 2017
המחברים יישמו את מה שמכונה סטטיסטיקה לא נרחבת כדי לפתור את הבעיה. בגרף למעלה, הקווים המקווקוים של המודל של המחבר מנבאים שפע נמוך יותר של איזוטופ הבריליום. זה המפתח, מכיוון שהבריליום מתפרק לליתיום. המפתח הוא גם שהכמות המתקבלת של ליתיום ושל שאר הגרעינים הקלים יותר, כולם תואמים כעת את הכמויות שחזויה על ידי התפלגות מקסוול-בולצמן. זה רגע אאוריקה לחובבי הקוסמולוגיה.
שרשראות ההתפרקות של גרעיני אור ראשוניים בימיו הראשונים של היקום. שימו לב לחצים האדומים הדקים בין בריליום לליתיום ב-10-13, הזמן המוקדם ביותר שמוצג בתרשים זה. תמונה: Chou et. אל.
המשמעות של כל זה היא שמדענים יכולים כעת לחזות במדויק את השפע ביקום הקדמון של שלושת הגרעינים הקדמוניים: הליום, דאוטריום וליתיום. ללא כל סתירה, וללא ליתיום חסר.
כך המדע שוחק בעיות, ואם מחברי המאמר צודקים, אז זה מאמת עוד יותר את תיאוריית המפץ הגדול, ומקרב אותנו צעד אחד להבנה כיצד נוצר היקום שלנו.
יוריקה!