I løbet af de sidste årtier har forskere kæmpet med et problem, der involverer Big Bang Theory. The Big Bang Theory foreslår, at der skal være tre gange så meget lithium som vi kan observere. Hvorfor er der sådan en uoverensstemmelse mellem forudsigelse og observation?
For at komme ind i det problem, lad os bakke lidt op.
Big Bang Theory (BBT) er godt understøttet af flere linjer af beviser og teori. Det er bredt accepteret som forklaringen på, hvordan universet startede. Tre vigtige beviser understøtter BBT:
- observationer af Kosmisk mikroovn baggrund
- vores voksende forståelse af universets store struktur
- groft overensstemmelse mellem beregninger og observationer af mængden af primordiale lyskerner (Forsøg IKKE at sige dette tre gange hurtigt efter hinanden!)
Men BBT har stadig nogle knasende spørgsmål.
Problemet med manglende lithium er centreret omkring de tidligste stadier af universet: fra omkring 10 sekunder til 20 minutter efter Big Bang. Universet var super varmt, og det udvidede sig hurtigt. Dette var begyndelsen på det, der kaldes Foton epoke .
På det tidspunkt, atomkerner dannet igennem nukleosyntese . Men den ekstreme varme, der dominerede universet, forhindrede kernerne i at kombinere med elektroner for at danne atomer. Universet var en plasma af kerner, elektroner og fotoner.
Kun de letteste kerner blev dannet i løbet af denne tid, inklusive det meste af helium i universet, og små mængder af andre lette nuklider, som f.eks. deuterium og vores ven lithium. For det meste blev tungere grundstoffer ikke dannet, før stjerner dukkede op og påtog sig rollen som nukleosyntese.
Problemet er, at vores forståelse af Big Bang fortæller os, at der skal være tre gange så meget lithium, som der er. BBT'en har ret, når det kommer til andre urkerner. Vores observationer af primordialt helium og deuterium matcher BBT's forudsigelser. Indtil videre har videnskabsmænd ikke været i stand til at løse denne inkonsekvens.
Men en ny papir fra forskere i Kina kan have løst gåden.
En antagelse i Big Bang-nukleosyntesen er, at alle kernerne er i termodynamisk ligevægt, og at deres hastigheder stemmer overens med det, der kaldes den klassiske Maxwell-Boltzmann-fordeling. Men Maxwell-Boltzmann beskriver, hvad der sker i det, der kaldes en ideel gas . Rigtige gasser kan opføre sig anderledes, og det er, hvad forskerne foreslår: at kerner i plasmaet fra den tidlige fotonperiode i universet opførte sig lidt anderledes end antaget.
Denne grafik viser fordelingen af tidlige primordiale lyselementer i universet efter tid og temperatur. Temperatur langs toppen, tid langs bunden og overflod på siden. Billede: Hou et al. 2017
Forfatterne anvendte det, der er kendt som ikke-omfattende statistik for at løse problemet. I grafen ovenfor forudsiger de stiplede linjer i forfatterens model en lavere forekomst af beryllium-isotopen. Dette er nøglen, da beryllium henfalder til lithium. Det vigtigste er også, at den resulterende mængde lithium og af de andre lettere kerner nu alle er i overensstemmelse med de mængder, der er forudsagt af Maxwell-Boltzmann-fordelingen. Det er et eureka-øjeblik for kosmologiske aficionados.
Forfaldskæderne af primordiale lette kerner i universets tidlige dage. Læg mærke til de tynde røde pile mellem Beryllium og Lithium ved 10-13, det tidligste tidspunkt vist på dette diagram. Billede: Chou et. al.
Hvad alt dette betyder er, at videnskabsmænd nu nøjagtigt kan forudsige overfloden i det oprindelige univers af de tre urkerner: helium, deuterium og lithium. Uden nogen uoverensstemmelse og uden manglende lithium.
Det er sådan, videnskaben sliber problemerne, og hvis forfatterne til papiret har ret, så validerer det Big Bang-teorien yderligere og bringer os et skridt tættere på at forstå, hvordan vores univers blev dannet.
Eureka!