Kikla dni temu opublikowaliśmy w Orionie informacje o artykule w Nature dotyczącym występowania litu – rzadkiego pierwiastka, który niejednemu astronomowi spędza sen z powiek. Poprosiliśmy mgr Monikę Adamów z Centrum Astronomii UMK o komentarz dotyczący tego odkrycia. Pani Monika kończy właśnie doktorat, a Jej praca poświęcona jest w znacznym stopniu temu pierwiastkowi.
Monika Adamów: Jak często w taki przypadkach bywa, informacje o odkryciu naukowym staramy się przedstawić w jak najprostszy sposób, by był zrozumiały dla jak najszerszego grona Czytelników. Niełatwo w takich przypadkach ustrzec się nieścisłości, które wypaczają sens odkrycia.
Należy przede wszystkim podkreślić, że lit nie jest produkowany w centrach gwiazd. Nawet jeśli by był, to ulegałby niemal natychmiastowemu spaleniu, ponieważ temperatura niszczenia litu w gwiazdach jest relatywnie niska – wynosi „jedynie” około 2,7 mln K.
Tylko w szczególnych przypadkach lit może być produkowany przez gwiazdę - w masywnych gwiazdach AGB (Asymptotic Giant Branch - asymptotyczna gałąź olbrzymów diagramu H-R) pierwiastek ten może być produkowany w obszarze otoczek helowej i wodorowej. Jednak żeby nie był spalany, musi być szybko przeniesiony do zewnętrznych, chłodniejszych warstw gwiazdy. Takie szybkie windowanie materiału na zewnątrz jest możliwe np. przy pulsach termicznych. Jako że gwiazdy AGB mają silne wiatry gwiazdowe, w konsekwencji lit i inne składniki zewnętrznych atmosfer są wywiewane do ośrodka międzygwiazdowego.
Gwiazdy w Drodze Mlecznej mają około cztery razy mniej litu na powierzchni niż wynikałoby to z przewidywań teoretycznych Wielkiego Wybuchu.
Stwierdzenie to jest bardzo uogólnione. Gwiazdy w Drodze Mlecznej mają nawet tysiące razy mniej litu niż wartość w BBN (ang. Big Bang Nucleosynthesis, pol. pierwotna nukleosynteza), a dla gwiazd podobnych do Słońca to około 100 razy mniej. Autorzy w oryginalnej pracy precyzują, że wartość ta odnosi się do gwiazd z halo galaktycznego – gdzie znajdują się najstarsze, najmniej metaliczne gwiazdy w Galaktyce, które powstały z możliwie najmniej przetworzonej materii. Autorzy odnoszą się do pionierskich badań Monique i Francois Spite, opublikowanych również w Nature w 1982r. Ich wyniki pokazały, że dla gwiazd galaktycznego halo w pewnym przedziale temperatur efektywnych ilość litu jest stała, co zyskało nazwę „plateau Spite'ów ” i zostało zinterpretowane jako ilość litu w pierwotnej materii.
Późniejsze pomiary uzyskane w trakcie misji WMAP (sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), której celem było badanie wczesnego Wszechświata, pozwoliły niezależnie oszacować ilość litu w pierwotnej materii. Ilość ta okazała się istotnie większa (kilkukrotnie), niż wyniki uzyskane poprzez badania widm starych gwiazd. Co więcej, przeglądy obserwacyjne gwiazd halo pokazały, że stare gwiazdy wykazują dużo bardziej zróżnicowane ilości litu, niż te, zaprezentowane przez małżeństwo Spite'ów.
Uzyskane wyniki pokazały, że problem jest bardzo złożony. Rozbieżność między wynikami „plateau Spite'ów ” i ilością litu oszacowaną na bazie badań WMAP określa się jako kosmologiczny problem litu lub po prostu problem litu.
Niektórzy naukowcy sugerują, że sama gwiazda może niszczyć lit lub pierwiastek mógł "utonąć" pod lżejszym wodorem i po prostu go nie widać. Jednak podobne parametry w większości gwiazd zaprzeczają takim teoriom. Obserwacje gazu w Małym Obłoku Magellana wskazują na taką ilość litu, że pierwiastek musiał powstać podczas Wielkiego Wybuchu. Dodatkowo obserwacje te sugerują, że nie możemy mieć do czynienia z późniejszą produkcją litu.
Hipoteza, że gwiazdy nie niszczą litu jest dość kontrowersyjna.
Wedle standardowej teorii ewolucji, lit może być niszczony zanim gwiazda rozpali paliwo wodorowe, ale w nieznacznej ilości. Od czasu zapłonu ilość litu w zewnętrznych warstwach nie powinna się zmieniać aż do momentu, gdy gwiazda skończy się palić wodór w swoim wnętrzu i opuści ciąg główny.
Wtedy przetwarzanie litu w gwiazdach jest intensywne. We wnętrzu gwiazdy rozpoczyna się proces mieszania, zwany pierwszym „dredge up”-em, przenosząc materiał bogaty w lit z warstw zewnętrznych gwiazdy do gorącego wnętrza, jednocześnie wynosząc ubogą w lit materię ze środka na zewnątrz. Na swojej drodze do stadium czerwonego olbrzyma w gwieździe lit redukowany jest nawet stokrotnie.
Gwiazdy obserwowane przez Spite'ów to bardzo stare, małomasywne gwiazdy ciągu głównego, czyli wedle standardowej teorii ewolucji gwiazdowej nie powinny one przetwarzać litu. Jako, że zaobserwowano duże rozbieżności między dwoma wyznaczeniami pierwotnej ilości litu zasugerowano, że może istnieje niestandardowy proces przetwarzania litu w gwiazdach, który zredukował czterokrotnie ilość litu w obserwowanych gwiazdach.
Problem przetwarzania litu na etapie ciągu głównego nazywany jest „klasycznym problemem litu” i dotyczy również gwiazd II populacji, w tym także Słońca. Na podstawie badań meteorytów możliwe było oszacowanie ilości litu w obłoku materii, z której Słońce powstało. Jest ona wyższa niż ta wyznaczona przez WMAP, gdyż lit może być produkowany przez masywne gwiazdy w późnych etapach ich ewolucji, powstaje także w obłokach międzygwiazdowych w reakcjach z udziałem promieniowania kosmicznego. Ilość litu w Słońcu w chwili obecnej jest 160 razy mniejsza, niż jego ilość w meteorytach, stąd musi istnieć jakiś dodatkowy mechanizm odpowiadający za mieszanie materii w słonecznym wnętrzu. Słońce nie jest oczywiście wyjątkiem jeśli chodzi o niską obfitość litu. Wśród gwiazd do niego podobnych (tj. o podobnej zawartości żelaza i o zbliżonej masie) znajdujemy zarówno gwiazdy o mniejszej jak i większej zawartości litu, Słońce kolejny raz okazuje się „średniakiem”. Obserwuje się także duże różnice w obfitościach gwiazd w gromadach otwartych, gdzie wszystkie gwiazdy powstały z jednego obłoku. Z rysunku 2 zamieszczonego w oryginalnej pracy w Nature także jasno widać, że obfitości w ISM (ang. Interstellar Medium, pol. ośrodek międzygwiazdowy) są górnymi ograniczeniami obfitości gwiazdowych, a skala na osi y na tym rysunku jest ograniczona (powinna sięgać co najmniej do 0).
Opis procesów prowadzących do niszczenia litu w gwiazdach jest ciągle dla astrofizyków zagadką.
Badania teoretyczne oparte są oczywiście o ciągle zbierane dane obserwacyjne, na podstawie których próbuje się znaleźć związek między ilością litu i innymi parametrami gwiazdowymi. I tak wiemy, że istnieją relacje: temperatura efektywna - ilość litu oraz masa – ilość litu dla gwiazd na ciągu głównym. Gwiazdy gorące i masywne mają litu więcej – są to gwiazdy młode więc większość litu jest związana z tym, że procesy niszczenia działają bardzo krótko lub jeszcze się nie rozpoczęły. Ostanie badania (Ramirez et al., praca wydana we wrześniu 2012r. ) pokazują, że ilość litu zależy także od metaliczności gwiazdy. Śledząc zależność masa-metaliczność-ilość litu na podstawie danych obserwacyjnych, autorzy pokazują, że mogą odtworzyć wartość litu w pierwotnej materii odpowiadającą wartości wyznaczonej przez WMAP. Rozwiązaniem kosmologicznej zagadki litu może być zatem nie fakt, że gwiazdy nie przetwarzają litu, ale to, że gwiazdy, w zależności od metaliczności i masy przetwarzają lit w różnym tempie. Tym samym gwiazdy halo obserwowane przez Spite'ów niekoniecznie muszą być wzorcem pierwotnej obfitości litu.
Odkrycie zespołu J.C. Howk'a jest bardzo istotne ze względu na możliwość zastosowania niezależnej od modeli BBN i astrofizyki gwiazdowej metody do wyznaczenia obfitości litu na różnych etapach życia Wszechświata. By globalnie opisać ewolucję litu we Wszechświecie muszą ze sobą współgrać trzy modele: standardowa teoria pierwotnej nukleosyntezy, opis bilansu produkcji litu przez gwiazdy i ISM i jego destrukcji oraz sam proces destrukcji litu przez gwiazdy, zwłaszcza procesy nie przewidziane przez modele ewolucji gwiazdowej. W każdej z tych trzech dziedzin jest jeszcze wiele do zrobienia.
Czytaj więcej:
Źródło: Monika Adamow
Na ilustracji: Mały Obłok Magellana. Źródło: Wikipedia
(Tekst ukazał się pierwotnie w serwisie Orion, którego zasoby zostały włączone do portalu Urania)