مشكلة الليثيوم الكونية

أنتجت عملية التخليق النووي في الانفجار العظيم كلاً من الليثيوم-7 والبريليوم-7، بل إن الأخير يهيمن على التخليق البدائي للنويدات ذات الكتلة 7. من ناحية أخرى، أنتج الانفجار العظيم الليثيوم-6 بمستويات أقل بأكثر من 1000 مرة. تحلل البريليوم-7 لاحقًا عن طريق التقاط الإلكترون (نصف عمره 53.22 يومًا) إلى الليثيوم _-7 ، ^بحيث أن وفرة الليثيوم البدائي الملحوظة _هي ^في الأساس مجموع الليثيوم -7 ^{البدائي} _{والليثيوم} المشع الناتج عن تحلل _{البريليوم} ^-7 .

تنتج هذه النظائر عن طريق التفاعلات

3 1 ساعة	+	4 2 هو	→	7 3 لي	+	γ
3 2 هو	+	4 2 هو	→	7 4 كن	+	γ

ودمرت بواسطة

7 4 كن	+	ن	→	7 3 لي	+	ص
7 3 لي	+	ص	→	4 2 هو	+	4 2 هو

يمكن حساب كمية الليثيوم المتولدة في الانفجار العظيم. ^{[ 6 ]} يُعدّ الهيدروجين-1 أكثر النوى وفرةً ، إذ يُشكّل ما يقارب 92% من ذرات الكون، يليه الهيليوم-4 بنسبة 8%. أما النظائر الأخرى، بما في ذلك ^2H و ³ H و ³ He و ⁶ Li و ⁷ Li و ⁷ Be، فهي أقل وفرةً بكثير؛ ويُقدّر وفرة الليثيوم البدائي بـ 10⁻¹⁰ ^{مقارنةً} بالهيدروجين. ^{[ 7 ]} تتوافق الوفرة والنسبة المحسوبة للهيدروجين ^-1 والهيليوم ^{-4 مع بيانات رصد النجوم الفتية. [ 4 ]}

في النجوم، يتم إنتاج الليثيوم-7 من خلال تفاعل متسلسل بين البروتونات .

3 2 هو	+	4 2 هو	→	7 4 كن	+	γ
7 4 كن	+	e −	→	7 3 Li -	+	νهـ	+	0.861  ميغا إلكترون فولت	/	0.383  ميغا إلكترون فولت
7 3 لي	+	1 1 H	→	2 4 2 هو

يسود فرع PP II عند درجات حرارة تتراوح من 14 إلى23  MK .

تحتوي النجوم الشبيهة بالشمس التي لا تدور حولها كواكب على عشرة أضعاف كمية الليثيوم الموجودة في النجوم الشبيهة بالشمس التي تدور حولها كواكب، وذلك في عينة مكونة من 500 نجم. ^{[ 18 ] [ 19 ]} تحتوي الطبقات السطحية للشمس على أقل من 1% من كمية الليثيوم الموجودة في سحب الغاز الأولية للشمس ، على الرغم من أن منطقة الحمل الحراري السطحية ليست ساخنة بما يكفي لحرق الليثيوم. ^{[ 19 ]} يُعتقد أن جاذبية الكواكب قد تُعزز اضطراب سطح النجم، مما يدفع الليثيوم إلى النوى الأكثر سخونة حيث يحدث احتراق الليثيوم . ^{[ 18 ] [ 19 ]} قد يكون غياب الليثيوم أيضًا وسيلة لاكتشاف أنظمة كوكبية جديدة. ^{[ 18 ]} ومع ذلك، أصبحت هذه العلاقة المزعومة موضع جدل في مجتمع الفيزياء الفلكية الكوكبية، حيث يتم إنكارها بشكل متكرر ^{[ 20 ] [ 21 ]} ولكن يتم تأييدها أيضًا. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

تحتوي بعض النجوم الفقيرة بالمعادن أيضًا على تركيز عالٍ بشكل غير طبيعي من الليثيوم. ^{[ 24 ]} تميل هذه النجوم إلى الدوران حول أجسام ضخمة - نجوم نيوترونية أو ثقوب سوداء - والتي من الواضح أن جاذبيتها تجذب الليثيوم الأثقل إلى سطح نجم الهيدروجين والهيليوم، مما يؤدي إلى رصد المزيد من الليثيوم. ^{[ 14 ]}

بالنظر إلى احتمال صحة تنبؤات التخليق النووي البدائي، فمن المرجح أن تكون القيمة المقاسة لوفرة الليثيوم البدائية غير دقيقة، وتقدم الحلول الفيزيائية الفلكية مراجعة لها. على سبيل المثال، قد تؤثر الأخطاء المنهجية، بما في ذلك تصحيح التأين وعدم دقة تحديد درجات حرارة النجوم، على نسب الليثيوم إلى الهيدروجين في النجوم. علاوة على ذلك، تظل المزيد من الملاحظات حول استنزاف الليثيوم مهمة، إذ قد لا تعكس مستويات الليثيوم الحالية الوفرة الأولية في النجم. وقد أظهرت نماذج تطور النجوم الحديثة، التي تتضمن باستمرار الانتشار الذري والخلط الناتج عن الدوران ونقل الزخم الزاوي عبر نجوم الجيل الثاني والجيل الأول، أن استنزافًا شبه منتظم لليثيوم ينشأ بشكل طبيعي في النجوم القزمة الفقيرة بالمعادن عبر نطاق واسع من المعدنية، مع إعادة إنتاج الانتقال الملحوظ إلى زيادة التشتت عند المعدنية الأعلى. تعزز هذه النتائج فرضية حل استنزاف الليثيوم النجمي لمشكلة الليثيوم الكونية. ^{[ 25 ]} باختصار، تُعدّ القياسات الدقيقة لوفرة الليثيوم البدائي محور التركيز الحالي للتقدم، وقد يكون من الممكن ألا يكمن الحل النهائي في الحلول الفيزيائية الفلكية. ^{[ 8 ]}

يقترح بعض علماء الفلك أن سرعات النيوكليونات لا تتبع توزيع ماكسويل-بولتزمان . ويختبرون إطار إحصاءات تساليس غير الشاملة. وتشير نتائجهم إلى أن 1.069 < q < 1.082 يمثل حلاً جديداً محتملاً لمشكلة الليثيوم الكونية. ^{[ 26 ]}

عند النظر في احتمال صحة وفرة الليثيوم البدائية المقاسة، واستنادها إلى النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات وعلم الكونيات القياسي، فإن مشكلة الليثيوم تشير إلى وجود أخطاء في تنبؤات العناصر الخفيفة في عملية التخليق النووي البدائي. ورغم أن التخليق النووي البدائي القياسي يستند إلى فيزياء محددة بدقة، إلا أن التفاعلات الضعيفة والقوية معقدة بالنسبة لهذه العملية، وبالتالي قد تكون نقطة ضعف في حسابات التخليق النووي البدائي القياسي. ^{[ 8 ]}

أولًا، قد تؤدي التفاعلات غير الصحيحة أو المفقودة إلى مشكلة الليثيوم. بالنسبة للتفاعلات غير الصحيحة، تكمن الأفكار الرئيسية في مراجعة أخطاء المقطع العرضي ومعدلات التفاعلات النووية الحرارية القياسية وفقًا للدراسات الحديثة. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

ثانيًا، انطلاقًا من اكتشاف فريد هويل للرنين في الكربون-12 ، وهو عامل مهم في عملية ألفا الثلاثية ، أصبحت تفاعلات الرنين، التي ربما أفلت بعضها من الكشف التجريبي أو تم التقليل من شأن تأثيراتها، حلولًا محتملة لمشكلة الليثيوم. ^{[ 29 ] [ 30 ]} وتشمل هذه:

تستبعد التحليلات التجريبية والنظرية التفاعلين الأول والثالث. ^{[ 31 ]}

كتبت مجلة بي بي سي ساينس فوكس في عام 2023 أن "الأبحاث الحديثة تبدو وكأنها تستبعد تمامًا" مثل هذه النظريات؛ ورأت المجلة أن حسابات التخليق النووي لليثيوم السائدة ربما تكون صحيحة. ^{[ 32 ]}

بافتراض صحة جميع الحسابات، قد تكون هناك حاجة إلى حلول تتجاوز النموذج القياسي الحالي أو علم الكونيات القياسي. ^{[ 8 ]}

يُقدّم اضمحلال المادة المظلمة والتناظر الفائق أحد الاحتمالات، حيث تُدخل سيناريوهات اضمحلال المادة المظلمة مجموعةً واسعةً من العمليات الجديدة التي يُمكنها تغيير العناصر الخفيفة أثناء وبعد التخليق النووي البدائي، وتجد أصلها المُبرّر جيدًا في النماذج الكونية المتناظرة الفائقة. مع تشغيل مصادم الهادرونات الكبير (LHC) بكامل طاقته، أصبح جزء كبير من التناظر الفائق الأدنى في متناول اليد، وهو ما سيُحدث ثورةً في فيزياء الجسيمات وعلم الكونيات إذا تم اكتشافه؛ ^{[ 8 ]} ومع ذلك، فقد استبعدت نتائج تجربة ATLAS في عام 2020 العديد من النماذج المتناظرة الفائقة. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

قد يكون تغيير الثوابت الأساسية أحد الحلول الممكنة، وهذا يعني أن الانتقالات الذرية في المعادن الموجودة في مناطق الانزياح الأحمر العالي قد تتصرف بشكل مختلف عن انتقالاتنا. بالإضافة إلى ذلك، قد تختلف اقترانات النموذج القياسي وكتل الجسيمات، وسيكون من الضروري إجراء تغيير في معلمات الفيزياء النووية. ^{[ 8 ]}

تشير النماذج الكونية غير القياسية إلى تباين نسبة الباريونات إلى الفوتونات في مناطق مختلفة. أحد المقترحات هو أن هذا التباين ناتج عن عدم تجانس واسع النطاق في الكثافة الكونية، وهو ما يختلف عن التجانس المحدد في المبدأ الكوني . مع ذلك، يتطلب اختبار هذا الاحتمال إجراء عدد كبير من عمليات الرصد. ^{[ 35 ]}