重現(xiàn)大爆炸后的瞬間

在意大利的一座山的深處，氫原子和氦原子核的碰撞已經(jīng)驗證了宇宙組成成份的奧秘：為什么當今的宇宙中觀測到的鋰6的量，與理論中解釋預測的、來自大爆炸后頃刻產(chǎn)生的鋰6元素的量之間，具有如此大的差異。一個在格蘭薩索的地下核天體物理學實驗室（LUNA）工作的國際研究小組，首次測量了在類似宇宙剛誕生幾分鐘時的條件下，鋰6產(chǎn)生的速度。實驗測得的速率顯示，實際上，幾乎所有的鋰6都在大爆炸之后才產(chǎn)生——這是當前的核合成理論無法解釋的。

圖為宇宙大爆炸

早在恒星和星系開始形成之前的早期的宇宙中，只有三個基礎(chǔ)元素存在，他們是氫、氦、鋰。根據(jù)大爆炸核合成理論（BBN），僅僅在大爆炸開始之前的幾分鐘鋰，質(zhì)子和中子結(jié)合在一起，形成了這三個基礎(chǔ)元素。盡管這個理論很巧妙地預測了，對宇宙中的氫和氦的同位素的觀測，但是它最大的缺陷在于，它難以區(qū)分鋰6和鋰7這兩種穩(wěn)定的鋰的同位素。

圖為早期宇宙

圖為BBN理論反應(yīng)模式

圖為大爆炸后宇宙中產(chǎn)生的氫、氦、鋰等元素

對于鋰7而言，大量的觀測數(shù)據(jù)表明，宇宙中的鋰7元素，比BBN理論中預測的要少的很多，而該理論的基石已經(jīng)由德國德累斯頓-羅森多夫亥姆霍茲中心（HZDR）的丹尼爾·貝默勒和他的同事們于2006年，在LUNA上進行的實驗證實了?，F(xiàn)在貝默勒和一個國際物理學團隊，已經(jīng)將注意力轉(zhuǎn)向一個占地球上所有鋰元素7%的鋰的同位素：鋰6.

豐富了幾千倍的鋰元素

BBN理論模型預測了，在這個“金屬貧瘠”的恒星中——這一恒星則是被認為是宇宙中最早形成的恒星，因此可以反映早期宇宙的組成成分——鋰6元素應(yīng)該在鋰原子核中占據(jù)五萬分之一的數(shù)量。然而，澳大利亞的國立大學的馬丁·阿斯普倫德和他的同事在2006年所做的觀察表明，在類似的恒星中，鋰6元素的豐富度高出一千倍以上，約占目前所有鋰元素含量的5%。因此，問題的關(guān)鍵是在于，是否存在計算或是觀察的錯誤。

圖為鋰元素豐度最高的恒星

BBN理論認為，鋰6元素的產(chǎn)生應(yīng)該是由一次核反應(yīng)主導，即氘（氫2）與氦4的碰撞之后的核聚變，從而產(chǎn)生了鋰6和伽馬射線。而貝默勒和他的同事們現(xiàn)在已經(jīng)在LUNA使用了40萬伏的加速器，用于研究早期宇宙發(fā)生的兩種碰撞能量下的相互作用。為此，他們向氘氣靶發(fā)射強烈的氦4核束，并監(jiān)測了伽馬射線的碰撞，而伽馬射線與鋰6的產(chǎn)生息息相關(guān)。

圖為（氫2）與氦4的碰撞之后的核聚變

背景信號產(chǎn)生的最小化

這種特定的核聚變過程產(chǎn)生的鋰6的可能性非常低，以及這對于物理學家們來說，這是一項十分重要的實現(xiàn)挑戰(zhàn)。這一實驗可以觀測到，在所有由碰撞產(chǎn)生的其他輻射中較弱的伽馬射線信號，以及來自自然發(fā)生的放射性物質(zhì)和宇宙射線的背景信號。通過深入地下，LUNA的研究人員可以減少宇宙射線的背景信號，同時通過用氮氣沖洗試驗區(qū)域，將試驗中自然產(chǎn)生的氡氣的影響被降到了最低。

在細致地分析了在兩次實驗的運行中，所獲得的伽馬射線光譜的微小顛簸之后，研究小組計算了由核聚變產(chǎn)生的鋰6元素的速率——發(fā)現(xiàn)這一速率與初始預期數(shù)值大徑相同。“起初，通過我們的實驗，我們確實可以研究，鋰6元素在一部分的大爆炸能量中的產(chǎn)生反應(yīng)?！必惸照f。隨后，研究小組利用BBN理論來計算，鋰6元素和鋰7元素在早期的宇宙中應(yīng)該存在的比例。其計算結(jié)果與先前的預估結(jié)果相同，盡管存在偏小的誤差，但這依然使得在金屬如此貧乏的恒星中，對高階的鋰6元素的觀測更加神秘。貝默勒說，“多虧了新的測量方法，我們知道將來會觀察到不尋常的鋰元素濃度，這并不能由原始的核合成反應(yīng)創(chuàng)造?！?/p>

新物理學的提示？

至于宇宙中絕大多數(shù)鋰6元素的來源，這以最新測量結(jié)果進一步地證明了鋰6元素在早期宇宙中不可能被人類偽造的說法。其中一種可能性是因為鋰的同位素在恒星耀斑中產(chǎn)生，而另一個更基礎(chǔ)的想法是，迄今為止，在未知的物理過程中產(chǎn)生了過量的鋰6元素，這使得同位素的宇宙測量成為了超越粒子物理學標準模型的物理學的潛在探究。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. Hamish Johnston-milketeaa

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請于三十日以內(nèi)聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處

翻譯：天文志愿文章組-milketeaa

審核：天文志愿文章組-

排版：零度星系

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3.原文來自：https://physicsworld.com/a/big-bang-ruled-out-as-origin-of-lithium-6/

02 Sep 2014

本文由天文志愿文章組-milketeaa翻譯自Hamish Johnston的作品，如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請于三十日以內(nèi)聯(lián)系運營者刪除。