Czy wczesny wszechświat zgubił lit?

Teoria Wielkiego Wybuchu uchodzi za ogólnie przyjęty w nauce model powstania wszechświata. Jednak nie jest ona wolna od zagadek, które rzucają cień na jej prawdziwość. Jedną z nich jest tzw. kosmologiczny problem litu, którego jest znacznie mniej niż przewiduje teoria. Co się stało z tym litem?

Czym jest lit?

Lit (Li) jest jednym z najlżejszych pierwiastków występujących we wszechświecie. Znajduje się na trzecim miejscu po wodorze (H) i helu (He). Liczba atomowa H wynosi 1, He – 2, zaś Li – 3. To znaczy, że lit posiada trzy protony w swoim jądrze atomowym. Sama nazwa lit pochodzi od greckiego słowa lithos, które oznacza skała. Lit jest zaliczany do metali alkalicznych¹, tym samym będąc najlżejszym pierwiastkiem metalicznym w przyrodzie².

Tak jak każdy inny pierwiastek, lit występuje w formie różnych izotopów. Spośród nich tylko dwa są stabilne, a są to lit-6 ⁶Li i lit-7 ⁷Li. W izotopie ⁶Li obok trzech protonów występują też trzy neutrony, zaś w ⁷Li – cztery neutrony. To właśnie te izotopy odpowiadają za tzw. kosmologiczny problem litu.

Pierwotna nukleosynteza

Teoria Wielkiego Wybuchu i pierwotnej nukleosyntezy pierwiastków zakłada, że w kilka minut po tym wydarzeniu wszechświat był już wypełniony wodorem i helem, ze śladowymi ilościami litu i berylu (liczba atomowa równa 4). Pierwsze gwiazdy, tzw. gwiazdy populacji III, miały powstawać właśnie z wodoru, helu i litu, a następnie dokonywać syntezy nowych pierwiastków. Z tych starych i nowych pierwiastków mają zaś składać się gwiazdy populacji II, a następnie gwiazdy populacji I (np. nasze Słońce).

W teorii pierwotnej nukleosyntezy lit-7 (o wiele bardziej powszechny niż lit-6) powstaje dzięki syntezie niestabilnego wodoru-3 (trytu) z helem-4. Jednocześnie ów lit-7 przy ingerencji protonu rozpada się na dwa atomy helu-4. Naukowcy uważają, że na tyle dobrze poznali warunki panujące tuż po Wielkim Wybuchu, że są w stanie odtworzyć pierwotną ilość powstałego litu.

Należy również zauważyć, że lit jest bardzo delikatnym pierwiastkiem i najprawdopodobniej nie powstaje w gwiazdach. Jądra atomowe litu są łatwo miażdżone podczas syntezy pierwiastków w gwiazdach, dlatego teoria Wielkiego Wybuchu przewiduje, że niemal cały lit, jaki dziś istnieje, pochodzi właśnie z tego wydarzenia³.

Gdzie znajdujemy lit?

Lit został zaobserwowany w wielu gwiazdach, ale w sposób nierównomierny. Gwiazdy podobne do Słońca, które nie mają planet, posiadają średnio 10 razy więcej litu niż gwiazdy podobne do Słońca, które mają planety. Samo nasze Słońce posiada w sobie bardzo niewiele litu, mniej niż 1% zawartości. Obecnie nie wiadomo, co odpowiada za to, że gwiazdy z planetami posiadają porównywalnie mniej litu niż gwiazdy bez planet⁴.

Co ciekawe, istnieją również olbrzymy, które są bardzo bogate w lit. Szacuje się, że około 1% gwiazd to olbrzymy, które zawierają nawet 1000 razy więcej litu niż zwykłe gwiazdy. Niedawno naukowcy odkryli, że jest on obecny przede wszystkim w czerwonych olbrzymach typu red clump⁵.

Kosmologiczny problem litu

Problem z tym pierwiastkiem leży jednak gdzie indziej. Okazuje się, że astronomowie odkryli zbyt mało litu we wszechświecie. Jest go około 3-4 razy mniej niż przewiduje teoria Wielkiego Wybuchu. Sprawa jest o tyle zagadkowa, że obserwowane ilości wodoru i helu we wszechświecie zasadniczo zgadzają się z przewidywaniami teoretycznymi. W przypadku litu jest zupełnie inaczej. Jest to tzw. kosmologiczny problem litu⁶. Powstaje pytanie: co się stało z tym litem?

Ponadto rozbieżności między teorią a stanem faktycznym obejmują również oba stabilne izotopy Li. Teoria Wielkiego Wybuchu przewiduje, że w wyniku pierwotnej nukleosyntezy powstał niemal wyłącznie izotop ⁷Li, z jedynie śladowymi ilościami ⁶Li. Izotopu ⁶Li powinno być w ilościach równych zaledwie 0,0015% ilości izotopu ⁷Li. Okazuje się jednak, że ta ilość wynosi nie 0,0015%, a 5%. To oznacza, że podczas gdy litu jako całości jest 3-4 razy mniej niż przewiduje teoria, to samego litu-6 jest około 1000 razy więcej⁷.

Od czasu do czasu naukowcy podejmują próby wyjaśnienia tych niezgodności z teorią. W lipcu 2021 roku naukowcom z Uniwersytetu Tokio udało się zmniejszyć tę przepaść o 10%, biorąc pod lupę proces powstawania litu-7 z berylu-7⁸. Z kolei inny zespół ze Stanów Zjednoczonych skupił się na reakcji rozszczepiającej lit-7 za pomocą protonu na dwa atomy helu-4. Uważa się, że jest to mało efektywna reakcja, która nie pozwoliła na zniszczenie dużych ilości litu-7. Badania naukowców wykazały, że nie ma istotnych różnic w ilościach litu przy nowych obliczeniach efektywności tego procesu⁹. Tym samym kosmologiczny problem litu nadal pozostaje problemem dla teorii Wielkiego Wybuchu, tak jak przez ostatnie dwie dekady¹⁰.

Czy Wielki Wybuch faktycznie miał miejsce?

Dlatego jeśli ktoś mówi, że obserwowane ilości pierwiastków pasują to tych przewidywanych przez teorię Wielkiego Wybuchu, to nie jest to cała prawda. Dotyczy to tylko wodoru i helu oraz ich izotopów. Natomiast w przypadku litu i jego izotopów mamy do czynienia z problemem, którego naukowcy nie są w stanie wyjaśnić mimo najlepszych wysiłków. Może teoria Wielkiego Wybuchu wcale nie jest aż tak dobrze ugruntowana, jak się powszechnie uważa?

Przypisy

1. Należą do nich także sód, potas i kilka innych.
2. Jest również najlżejszym metalem w rozumieniu astronomicznym, gdzie wszystkie pierwiastki cięższe od helu nazywane są metalami.
3. Plait P., Want a planet? You might want to avoid lithium, Discover Magazine, 11 listopada 2019, https://www.discovermagazine.com/the-sciences/want-a-planet-you-might-want-to-avoid-lithium
4. Ibid.
5. Kumar Y. B., Revealing the secret life of Lithium in Sun-like stars, Nature Astronomy Community, 6 lipca 2020, https://astronomycommunity.nature.com/posts/revealing-the-secret-life-of-lithium-in-sun-like-stars
6. Faulkner D. R., The Primordial Lithium Problem, Answers in Genesis, 15 stycznia 2015, https://answersingenesis.org/astronomy/age-of-the-universe/the-primordial-lithium-problem/
7. Ibid.
8. Closing the gap on the missing lithium, Science Daily, 1 lipca 2021, https://www.sciencedaily.com/releases/2021/07/210701112629.htm
9. Hou S. Q., New Thermonuclear Rate of ⁷Li(d,n)2⁴He Relevant to the Cosmological Lithium Problem, The Astrophysical Journal, 920 (2), 2021, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac1a11
10. Faulkner D. R., The Primordial Lithium Problem Persists, Answers in Genesis, 4 grudnia 2021, https://answersingenesis.org/astronomy/cosmology/the-primordial-lithium-problem-persists/