Negli ultimi decenni, gli scienziati hanno lottato con un problema che riguardava la teoria del Big Bang. La teoria del Big Bang suggerisce che dovrebbe essere tre volte tanto litio come possiamo osservare. Perché c'è una tale discrepanza tra previsione e osservazione?
Per entrare in questo problema, facciamo un po' di backup.
La teoria del Big Bang (BBT) è ben supportata da molteplici linee di prove e teorie. È ampiamente accettato come la spiegazione di come è iniziato l'Universo. Tre elementi chiave di prove supportano il BBT:
- osservazioni del Sfondo cosmico a microonde
- la nostra crescente comprensione del struttura su larga scala dell'Universo
- grossolano accordo tra calcoli e osservazioni dell'abbondanza dei nuclei primordiali leggeri (NON tentare di dirlo tre volte in rapida successione!)
Ma la BBT ha ancora alcune domande fastidiose.
Il problema del litio mancante è incentrato sulle prime fasi dell'Universo: da circa 10 secondi a 20 minuti dopo il Big Bang. L'Universo era super caldo e si stava espandendo rapidamente. Questo fu l'inizio di quello che viene chiamato il Epoca fotonica .
A quel tempo, nuclei atomici formato attraverso nucleosintesi . Ma il calore estremo che dominava l'Universo impediva ai nuclei di combinarsi con gli elettroni per formare atomi. L'Universo era un plasma di nuclei, elettroni e fotoni.
Durante questo periodo si formarono solo i nuclei più leggeri, inclusa la maggior parte dell'elio nell'Universo e piccole quantità di altri nuclidi leggeri, come deuterio e il nostro amico litio. Per la maggior parte, gli elementi più pesanti non si sono formati fino alla comparsa delle stelle e hanno assunto il ruolo di nucleosintesi.
Il problema è che la nostra comprensione del Big Bang ci dice che dovrebbe esserci una quantità di litio tre volte superiore a quella che c'è. Il BBT ha ragione quando si tratta di altri nuclei primordiali. Le nostre osservazioni sull'elio e sul deuterio primordiali corrispondono alle previsioni del BBT. Finora, gli scienziati non sono stati in grado di risolvere questa incoerenza.
Ma un nuovo carta da ricercatori in Cina potrebbe aver risolto il puzzle.
Un presupposto nella nucleosintesi del Big Bang è che tutti i nuclei siano in equilibrio termodinamico e che le loro velocità siano conformi a quella che viene chiamata la classica distribuzione di Maxwell-Boltzmann. Ma il Maxwell-Boltzmann descrive ciò che accade in ciò che viene chiamato an gas ideale . I gas reali possono comportarsi in modo diverso, e questo è ciò che propongono i ricercatori: che i nuclei nel plasma del primo periodo dei fotoni dell'Universo si comportassero in modo leggermente diverso da quanto pensato.
Questo grafico mostra la distribuzione dei primi elementi luminosi primordiali nell'Universo in base al tempo e alla temperatura. Temperatura lungo la parte superiore, tempo lungo la parte inferiore e abbondanza sul lato. Immagine: Hou et al. 2017
Gli autori hanno applicato le cosiddette statistiche non estese per risolvere il problema. Nel grafico sopra, le linee tratteggiate del modello dell'autore prevedono una minore abbondanza dell'isotopo del berillio. Questa è la chiave, poiché il berillio decade in litio. Un'altra chiave è che la quantità risultante di litio e degli altri nuclei più leggeri ora sono tutti conformi alle quantità previste dalla distribuzione di Maxwell-Boltzmann. È un momento eccezionale per gli appassionati di cosmologia.
Le catene di decadimento dei nuclei primordiali di luce nei primi giorni dell'Universo. Notare le sottili frecce rosse tra il berillio e il litio a 10-13, la prima volta mostrata in questo grafico. Immagine: Chou et. al.
Ciò significa che gli scienziati possono ora prevedere con precisione l'abbondanza nell'universo primordiale dei tre nuclei primordiali: elio, deuterio e litio. Senza alcuna discrepanza e senza alcun litio mancante.
È così che la scienza risolve i problemi e, se gli autori dell'articolo hanno ragione, convalida ulteriormente la teoria del Big Bang e ci avvicina di un passo alla comprensione di come si è formato il nostro Universo.
Eureka!