Знание-сила, 2009 № 09 (987)

Количество барионов, приходящихся на один фотон, было для ранней Вселенной весьма важным параметром, влияющим на процесс образования ядер изотопов легких элементов: водорода, гелия, лития и бериллия. Начавшийся через секунду после Большого Взрыва, этот процесс закончился на 200-й (!) секунде и известен как нуклеосинтез Большого Взрыва. Элементы же тяжелее лития образовались в ходе термоядерных реакций в звездах. При этом существенным для дальнейшего рассказа является тот факт, что во Вселенной литий в основном представлен изотопом Li-7; другой изотоп лития — Li-6 — присутствует в космосе лишь в незначительных количествах.

До запуска зондов COBE и WMAP информация об уровне присутствия во Вселенной легких элементов как раз и позволяла оценить количество барионов, приходящихся на один фотон. После анализа поступившей с зондов информации ситуация сменилась на противоположную: измеренное с помощью зондов соотношение между барионами и фотонами позволило скорректировать теорию нуклеосинтеза Большого Взрыва — а следовательно, изменить представления о том, как распространены во Вселенной легкие элементы.

По современным расчетам, на миллион атомов водорода во Вселенной должно приходиться приблизительно 80 000 атомов He-4, 10 атомов дейтерия и изотопа водорода H-3, а также одна десятитысячная атома изотопа Li-7.

По словам Гэри Стеймана из Университета штата Огайо, зафиксированный в настоящее время уровень присутствия в космосе атомов дейтерия и гелия более-менее соответствует теории нуклеосинтеза. Иначе обстоит дело с литием: теория нуклеосинтеза предсказывает в три раза большее количество изотопа Li-7 во Вселенной, нежели следует из наблюдений. А два года назад Мартин Асплунд из Астрофизического института Макса Планка (Германия), исследовав химический состав 24 звезд, пришел к выводу, что изотопа Li-6 в них содержится в 1000 раз больше, чем предсказывает теория нуклеосинтеза. Вполне естественно, что космологи весьма серьезно отнеслись к «литиевой проблеме»: согласие между теорией нуклеосинтеза и данными о распространенности легких элементов считалось важнейшим аргументом в пользу нарисованной космологами картины эволюции Вселенной. И соответственно в пользу самой теории нуклеосинтеза. «Если проблема с литием действительно существует, а астрофизикам так и не удастся ее объяснить, то ситуацию следует признать весьма печальной» — эти слова Гэри Стеймана приводит журнал New Scientist.

В то же время далеко не все считают «литиевую проблему» поводом для пересмотра теории нуклеосинтеза. Эксперты напоминают: основная часть ядер лития возникла не в первые минуты существования Вселенной; эти ядра стали формироваться значительно позже, в процессе звездной эволюции и в ходе столкновений между частицами космических лучей и частицами межзвездного газа.

Анализируя литиевую проблему, следует прежде всего проверить наблюдения самого Асплунда, у которого, кстати, на анализ собственных данных ушло целых пять лет. Одна из причин этого была в плохой видимости некоторых спектральных линий: линия Li-6 в звездных спектрах перекрывалась линией Li-7, превышавшей ее по интенсивности в 20 раз. Как сказал корреспонденту New Scientist Роберт Кайрел из Парижской обсерватории, адекватного решения проблемы Li-6 в настоящее время не существует. Кайрел, сомневаясь в результатах Асплунда, вместе с несколькими коллегами выполнил в 2007 году независимое исследование спектра одиночной звезды. В то же время, как сообщает New Scientist, Асплунд и сам перепроверяет полученные им результаты. Недавно, используя телескоп обсерватории Keck на Гавайях, он исследовал химический состав еще 10 звезд; предварительные результаты позволяют предполагать даже больший избыток Li-6, нежели представлялось ранее.

Хотя реальность «литиевой проблемы» и остается под вопросом, физики-теоретики активно ее обсуждают. Работающий в Оксфордском университете космолог Джозеф Силк не сомневается, что именно в поисках решения «проблемы лития» появится новая теория элементарных частиц. Как сказал Силк корреспонденту журнала New Scientist, «я не могу поверить, что эта проблема связана исключительно с физикой звезд». По мнению многих теоретиков, решение «литиевой проблемы» следует искать с помощью теории суперсимметрии. Ее сторонники предлагают, как известно, отказаться от принятой в физике элементарных частиц Стандартной модели, а одной из главных идей теории суперсимметрии является идея о существовании у всех элементарных частиц массивных «частиц-партнеров».