En astronomía , el problema del litio o la discrepancia del litio se refiere a la discrepancia entre la abundancia primordial de litio según se infiere de las observaciones de estrellas halo pobres en metales ( Población II ) en nuestra galaxia y la cantidad que teóricamente debería existir debido a la nucleosíntesis del Big Bang + WMAP. predicciones de densidad bariónica cósmica del CMB . Es decir, los modelos más ampliamente aceptados del Big Bang sugieren que debería existir tres veces más litio primordial, en particular litio-7 . Esto contrasta con la abundancia observada de isótopos dehidrógeno ( 1 H y 2 H ) y helio ( 3 He y 4 He ) que son consistentes con las predicciones. [1] La discrepancia se destaca en un llamado "diagrama de Schramm", nombrado en honor al astrofísico David Schramm , que describe estas abundancias primordiales como una función del contenido de bariones cósmicos de las predicciones estándar de BBN .
Origen del litio
Minutos después del Big Bang, el universo estaba compuesto casi en su totalidad por hidrógeno y helio, con trazas de litio y berilio, y una abundancia insignificante de todos los elementos más pesados. [3]
Síntesis de litio en el Big Bang
La nucleosíntesis del Big Bang produjo tanto litio-7 como berilio-7 y, de hecho, este último domina la síntesis primordial de los nucleidos de masa 7. Por otro lado, el Big Bang produjo litio-6 en niveles más de 1000 veces menores.7
4Ser
luego decayó por captura de electrones ( vida media 53,22 días) en7
3Li
, de modo que la abundancia de litio primordial observable suma esencialmente 7
3Li
y litio radiogénico de la desintegración de7
4Ser
.
Estos isótopos son producidos por reacciones
y destruido por
Se puede calcular la cantidad de litio generada en el Big Bang. [4] El hidrógeno-1 es el nucleido más abundante , que comprende aproximadamente el 92% de los átomos del Universo, con helio-4 segundo al 8%. Otros isótopos, incluidos 2 H, 3 H, 3 He, 6 Li, 7 Li y 7 Be, son mucho más raros; la abundancia estimada de litio primordial es 10-10 en relación con el hidrógeno. [5] La abundancia calculada y la proporción de 1 H y 4 He está de acuerdo con los datos de las observaciones de estrellas jóvenes. [3]
La sucursal PP II
En las estrellas, el litio-7 se produce en una reacción en cadena protón-protón .
3 2Él + 4 2Él → 7 4Ser + γ 7 4Ser + mi- → 7 3Li- + νmi + 0,861 MeV / 0,383 MeV 7 3Li + 1 1H → 2 4 2Él
La rama PP II es dominante a temperaturas de 14 a 23 MK .
Abundancia observada de litio
A pesar de la baja abundancia teórica de litio, la cantidad observable real es menor que la cantidad calculada por un factor de 3 a 4. [6] Esto contrasta con la abundancia observada de isótopos de hidrógeno ( 1 H y 2 H ) y helio ( 3 He y 4 He ) que son consistentes con las predicciones. [1]
Las estrellas más viejas parecen tener menos litio del que deberían y algunas estrellas más jóvenes tienen mucho más. [8] La falta de litio en las estrellas más viejas aparentemente es causada por la "mezcla" de litio en el interior de las estrellas, donde se destruye, [9] mientras que el litio se produce en las estrellas más jóvenes. Aunque se transmuta en dos átomos de helio debido a la colisión con un protón a temperaturas superiores a 2,4 millones de grados Celsius (la mayoría de las estrellas alcanzan fácilmente esta temperatura en su interior), el litio es más abundante de lo que los cálculos actuales predecirían en las estrellas de generaciones posteriores. [10] [11]
El litio también se encuentra en objetos subestelares enanos marrones y en ciertas estrellas anaranjadas anómalas. Debido a que el litio está presente en las enanas marrones más frías y menos masivas, pero se destruye en las estrellas enanas rojas más calientes , su presencia en los espectros de las estrellas se puede utilizar en la "prueba del litio" para diferenciar las dos, ya que ambas son más pequeñas que el Sol. [10] [11] [13]
Menos litio en estrellas similares al Sol con planetas
Las estrellas similares al Sol sin planetas tienen 10 veces más litio que las estrellas similares al Sol con planetas en una muestra de 500 estrellas. [14] [15] Las capas superficiales del Sol tienen menos del 1% del litio de las nubes de gas protosolares de la formación original a pesar de que la zona convectiva de la superficie no es lo suficientemente caliente como para quemar litio. [15] Se sospecha que la atracción gravitacional de los planetas podría mejorar la agitación de la superficie de la estrella, impulsando el litio a núcleos más calientes donde se produce la combustión del litio . [14] [15] La ausencia de litio también podría ser una forma de encontrar nuevos sistemas planetarios. [14] Sin embargo, esta supuesta relación se ha convertido en un punto de discusión en la comunidad de astrofísica planetaria, siendo frecuentemente negada [16] [17] pero también apoyada. [18] [19]
Litio más alto de lo esperado en estrellas pobres en metales
Algunas estrellas naranjas también pueden contener una alta concentración de litio. [20] Esas estrellas naranjas que tienen una concentración más alta de lo habitual de litio orbitan objetos masivos —estrellas de neutrones o agujeros negros— cuya gravedad evidentemente atrae litio más pesado a la superficie de una estrella de hidrógeno-helio, lo que hace que se observe más litio. [10]
Soluciones propuestas
Las posibles soluciones se dividen en tres grandes clases.
Soluciones astrofísicas
Teniendo en cuenta la posibilidad de que las predicciones de BBN sean sólidas, el valor medido de la abundancia de litio primordial debería ser erróneo y las soluciones astrofísicas ofrecen una revisión. Por ejemplo, los errores sistemáticos, incluida la corrección de la ionización y la determinación inexacta de las temperaturas estelares, podrían afectar las relaciones Li / H en las estrellas. Además, siguen siendo importantes más observaciones sobre el agotamiento del litio, ya que los niveles actuales de litio podrían no reflejar la abundancia inicial en la estrella. En resumen, las mediciones precisas de la abundancia de litio primordial es el foco actual de progreso, y podría ser posible que la respuesta final no esté en soluciones astrofísicas. [6]
Soluciones de física nuclear
Cuando se considera la posibilidad de que la abundancia de Litio primordial medida sea correcta y se base en el Modelo Estándar de física de partículas y la cosmología estándar, el problema del litio implica errores en las predicciones del elemento ligero BBN. Aunque el BBN estándar se basa en una física bien determinada, las interacciones débiles y fuertes son complicadas para BBN y, por lo tanto, podrían ser el punto débil en el cálculo de BBN estándar. [6]
En primer lugar, las reacciones incorrectas o faltantes podrían dar lugar al problema del litio. Para las reacciones incorrectas, los pensamientos principales se encuentran dentro de la revisión de errores de corte transversal y tasas termonucleares estándar según estudios recientes. [21] [22]
En segundo lugar, a partir del descubrimiento de Fred Hoyle de una resonancia en el carbono-12 , un factor importante en el proceso de triple alfa , las reacciones de resonancia, algunas de las cuales podrían haber eludido la detección experimental o cuyos efectos se han subestimado, se convierten en posibles soluciones al problema. problema de litio. [23] [24]
Soluciones más allá del modelo estándar
Bajo los supuestos de todos los cálculos correctos, podrían ser necesarias soluciones más allá del Modelo Estándar existente o la cosmología estándar. [6]
La descomposición de la materia oscura y la supersimetría brindan una posibilidad, en la que los escenarios de materia oscura en descomposición introducen una amplia gama de procesos novedosos que pueden alterar los elementos ligeros durante y después de la BBN, y encontrar el origen bien motivado en las cosmologías supersimétricas. Con el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en pleno funcionamiento , gran parte de la supersimetría mínima está al alcance, lo que revolucionaría la física de partículas y la cosmología si se descubriera. [6]
Cambiar las constantes fundamentales puede ser una posible solución, e implica que, en primer lugar, las transiciones atómicas en metales que residen en regiones de alto corrimiento al rojo podrían comportarse de manera diferente a las nuestras. Además, los acoplamientos del Modelo Estándar y las masas de partículas pueden variar; tercero, se necesita variación en los parámetros de la física nuclear. [6]
Las cosmologías no estándar indican la variación de la relación barión a fotón en diferentes regiones. Una propuesta es el resultado de inhomogeneidades a gran escala en la densidad cósmica, diferente de la homogeneidad definida en el principio cosmológico . Sin embargo, esta posibilidad requiere una gran cantidad de observaciones para probarla. [25]
En la cultura popular
Según los informes, el músico estadounidense LiTHiUM THiEF eligió su nombre como una solución de broma al problema cosmológico del litio, imaginando un críptido que robó litio-7 de un universo joven. [26]
Ver también
- Big Bang
- Núcleo de halo
- Isótopos de litio
- Lista de problemas de física sin resolver
- Quema de litio
Referencias
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