Происхождение лития (Li), третьего элемента периодической системы Менделеева, покрыто тайной. В результате Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад Вселенную заполнили водород и гелий (75% и 25% соответственно). Кроме того, в результате первичного нуклеосинтеза ничтожную долю заняли литий и, возможно, бериллий. Так или иначе литий крайне интересен астрофизикам с точки зрения происхождения Вселенной и ее химической эволюции.
Этот элемент, встречающийся в космических лучах в виде двух стабильных изотопов, 6Li и 7Li, стал объектом недавнего исследования международной группы ученых, использовавших альфа-магнитный спектрометр (AMS-02) на борту Международной космической станции (МКС). Они измерили содержание ядер 6Li и 7Li в потоке космических лучей в период с мая 2011 по октябрь 2023 года.
Основываясь на информации о более чем 2 миллионах ядер, зафиксированных за 12 лет, команда сформулировала гипотезу, которая подтверждает одно из возможных объяснений происхождения лития-7 и в то же время ставит под сомнение другое, общепринятое объяснение. Результаты опубликованы в Physical Review Letters.
У лития несколько возможных источников происхождения. Он мог образоваться в результате столкновений более тяжелых ядер, возникших в ничтожных количествах во время Большого взрыва или позже, в ходе звездного ядерного синтеза. Литий-7 мог стать результатом распада соседа-бериллия 7Be в звездах с низкой массой или в молодых звездах.
Ядра лития редки в нашей Солнечной системе, но довольно часто встречаются в космических лучах. Оба изотопа могут быть связаны с взаимодействием потоков космических лучей. Наконец, 7Li, также как и его брат 6Li может иметь первичное происхождение в результате Большого взрыва. Однако количество 7Li, которое должно было получиться в результате нуклеосинтеза при Большом взрыве, сильно не соответствует тому, что наблюдается в звездах или следует из данных о космических лучах. Литий-6 и литий-7 прилетают на Землю почти на равных, хотя при первичном происхождении более легкого изотопа должно быть больше.
За последние 50 лет соотношение 7Li/6Li измерялось в нескольких экспериментах, но затем было обнаружено значительное несоответствие между предыдущими измерениями потока лития и современными моделями распространения космических лучей.
Большинство расчетов потока изотопов лития проводились с жесткостью ниже ~ 1,9 ГВт. Жесткость — показатель того, насколько сильно частица сопротивляется отклонению под действием магнитных полей. Это отклонение определяется как импульс, приходящийся на заряд ядра.
Исследователи сочли, что измерения следует провести в более широком диапазоне жесткости и в более длительном временном промежутке. Для достижения этой цели они провели измерения с беспрецедентной точностью в диапазоне жесткости от 1,9 до 25 ГВт, собрав буквально поштучно данные о миллионах ядер. Детекторы прилежно зафиксировал «прилет» 9,7 × 105 ядер лития-6 и 1,04 × 106 ядер лития-7.
Данные накапливались в течение 12 лет с помощью AMS-02, устройства, состоящего из переохлажденного магнита, который создает однородное магнитное поле для изменения траекторий заряженных космических частиц, когда они проходят через пять различных детекторов.
Результаты показали, что как для лития-6, так и для лития-7 наблюдались почти одинаковые временные колебания во всем диапазоне жесткости. Выше ~4 ГВ временные колебания соответствовали изменениям других ядер космических лучей — гелия, углерода, азота и кислорода.
Ядра показали одинаковую зависимость жесткости при ~7 ГВт и выше, что по мнению авторов достаточно убедительно подтверждает гипотезу о том, что оба стабильных изотопа лития образуются в результате столкновений ядер более тяжелых элементов в межзвездной среде и исключает наличие значительного количества первичного 7Li в потоке. Даже если литий образовался сразу после Большого взрыва, сегодня его присутствием в космических лучах можно пренебречь.
Существует гипотеза, что сразу после Большого взрыва в бурлящем котле молодой Вселенной родились первичные черные дыры. Что с ними стало потом, узнайте в материале Hi-Tech Mail.
