En astronomía , el problema del litio o discrepancia del litio se refiere a la discrepancia entre la abundancia primordial de litio inferida a partir de observaciones de estrellas de halo pobres en metales ( Población II ) en nuestra galaxia y la cantidad que teóricamente debería existir debido a la nucleosíntesis del Big Bang + predicciones de densidad bariónica cósmica WMAP del CMB . Es decir, los modelos más ampliamente aceptados del Big Bang sugieren que debería existir tres veces más litio primordial, en particular litio-7 . Esto contrasta con la abundancia observada de isótopos de hidrógeno ( 1 H y 2 H ) y helio ( 3 He y 4 He ) que son consistentes con las predicciones. [1] La discrepancia se destaca en un llamado "diagrama de Schramm", llamado así en honor al astrofísico David Schramm , que representa estas abundancias primordiales como una función del contenido de bariones cósmicos a partir de las predicciones estándar de BBN .
Minutos después del Big Bang, el universo estaba compuesto casi en su totalidad de hidrógeno y helio, con trazas de litio y berilio, y abundancias insignificantes de todos los elementos más pesados. [3]
La nucleosíntesis del Big Bang produjo tanto litio-7 como berilio-7, y de hecho este último domina la síntesis primordial de nucleidos de masa 7. Por otra parte, el Big Bang produjo litio-6 en niveles más de 1000 veces menores. 7
4Ser
Posteriormente se descompuso por captura de electrones ( vida media 53,22 días) en7
3Li
, de modo que la abundancia de litio primordial observable suma esencialmente la abundancia de litio primordial.7
3Li
y litio radiogénico procedente de la desintegración de7
4Ser
.
Estos isótopos se producen por las reacciones
y destruido por
La cantidad de litio generada en el Big Bang se puede calcular. [4] El hidrógeno-1 es el nucleido más abundante , y comprende aproximadamente el 92% de los átomos del Universo, seguido del helio-4 con el 8%. Otros isótopos, incluidos 2 H, 3 H, 3 He, 6 Li, 7 Li y 7 Be, son mucho más raros; la abundancia estimada del litio primordial es de 10 −10 en relación con el hidrógeno. [5] La abundancia y la proporción calculadas de 1 H y 4 He concuerdan con los datos de las observaciones de estrellas jóvenes. [3]
En las estrellas, el litio-7 se produce mediante una reacción en cadena protón-protón .
La rama PP II es dominante a temperaturas de 14 a23 MK .
A pesar de la baja abundancia teórica de litio, la cantidad observable real es menor que la cantidad calculada en un factor de 3 a 4. [6] Esto contrasta con la abundancia observada de isótopos de hidrógeno ( 1 H y 2 H ) y helio ( 3 He y 4 He ) que son consistentes con las predicciones. [1]
Las estrellas más viejas parecen tener menos litio del que deberían, y algunas estrellas más jóvenes tienen mucho más. [8] Un modelo propuesto es que el litio producido durante la juventud de una estrella se hunde bajo la atmósfera de la estrella (donde queda oculto a la observación directa) debido a efectos que los autores describen como "mezcla turbulenta" y "difusión", que se sugiere que aumentan o se acumulan a medida que la estrella envejece. [9] Las observaciones espectroscópicas de estrellas en NGC 6397 , un cúmulo globular pobre en metales, son consistentes con una relación inversa entre la abundancia de litio y la edad, pero no se ha formalizado un mecanismo teórico para la difusión. [10] Aunque se transmuta en dos átomos de helio debido a la colisión con un protón a temperaturas superiores a 2,4 millones de grados Celsius (la mayoría de las estrellas alcanzan fácilmente esta temperatura en sus interiores), el litio es más abundante de lo que los cálculos actuales predecirían en estrellas de generaciones posteriores. [11] [12]
El litio también se encuentra en objetos subestelares enanos marrones y en ciertas estrellas anómalas pobres en metales. Dado que el litio está presente en enanas marrones más frías y menos masivas, pero se destruye en estrellas enanas rojas más calientes , su presencia en los espectros de las estrellas se puede utilizar en la "prueba del litio" para diferenciar las dos, ya que ambas son más pequeñas que el Sol. [11] [12] [14]
Las estrellas similares al Sol sin planetas tienen 10 veces más litio que las estrellas similares al Sol con planetas en una muestra de 500 estrellas. [15] [16] Las capas superficiales del Sol tienen menos del 1% del litio de las nubes de gas protosolar de formación original a pesar de que la zona convectiva de la superficie no es lo suficientemente caliente como para quemar litio. [16] Se sospecha que la atracción gravitatoria de los planetas podría aumentar la agitación de la superficie de la estrella, llevando el litio a núcleos más calientes donde se produce la quema de litio . [15] [16] La ausencia de litio también podría ser una forma de encontrar nuevos sistemas planetarios. [15] Sin embargo, esta supuesta relación se ha convertido en un punto de discordia en la comunidad de astrofísica planetaria, siendo frecuentemente negada [17] [18] pero también apoyada. [19] [20]
Algunas estrellas pobres en metales también contienen una concentración anormalmente alta de litio. [21] Estas estrellas tendían a orbitar objetos masivos (estrellas de neutrones o agujeros negros) cuya gravedad evidentemente atrae litio más pesado a la superficie de una estrella de hidrógeno y helio, lo que hace que se observe más litio. [11]
Las posibles soluciones se dividen en tres grandes clases.
Considerando la posibilidad de que las predicciones de BBN sean acertadas, el valor medido de la abundancia primordial de litio debería ser erróneo y las soluciones astrofísicas ofrecen una revisión del mismo. Por ejemplo, los errores sistemáticos, incluida la corrección de la ionización y la determinación inexacta de las temperaturas estelares, podrían afectar las relaciones Li/H en las estrellas. Además, sigue siendo importante realizar más observaciones sobre el agotamiento del litio, ya que los niveles actuales de litio podrían no reflejar la abundancia inicial en la estrella. En resumen, las mediciones precisas de la abundancia primordial de litio son el foco actual del progreso, y podría ser posible que la respuesta final no se encuentre en las soluciones astrofísicas. [6]
Algunos astrónomos sugieren que las velocidades de los nucleones no siguen una distribución de Maxwell-Boltzmann . Ponen a prueba el marco de las estadísticas no extensivas de Tsallis. Sus resultados sugieren que 1,069 < q < 1,082 es una posible nueva solución al problema cosmológico del litio. [22]
Si se considera la posibilidad de que la abundancia de litio primordial medida sea correcta y se base en el Modelo Estándar de física de partículas y la cosmología estándar, el problema del litio implica errores en las predicciones de elementos ligeros de la BBN. Aunque la BBN estándar se basa en una física bien determinada, las interacciones débiles y fuertes son complicadas para la BBN y, por lo tanto, podrían ser el punto débil en el cálculo de la BBN estándar. [6]
En primer lugar, las reacciones incorrectas o faltantes podrían dar lugar al problema del litio. En el caso de las reacciones incorrectas, las principales consideraciones se centran en la revisión de los errores de sección eficaz y las tasas termonucleares estándar según estudios recientes. [23] [24]
En segundo lugar, a partir del descubrimiento por Fred Hoyle de una resonancia en el carbono-12 , un factor importante en el proceso triple-alfa , las reacciones de resonancia, algunas de las cuales podrían haber evadido la detección experimental o cuyos efectos han sido subestimados, se convierten en posibles soluciones al problema del litio. [25] [26]
BBC Science Focus escribió en 2023 que "investigaciones recientes parecen descartar por completo" tales teorías; la revista sostuvo que los cálculos convencionales sobre la nucleosíntesis de litio probablemente sean correctos. [27]
Suponiendo que todos los cálculos son correctos, podrían necesitarse soluciones más allá del Modelo Estándar o la cosmología estándar existentes . [6]
La desintegración de la materia oscura y la supersimetría ofrecen una posibilidad, en la que los escenarios de materia oscura en descomposición introducen una rica variedad de procesos novedosos que pueden alterar los elementos ligeros durante y después de la BBN, y encontrar el origen bien motivado en las cosmologías supersimétricas. Con el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en pleno funcionamiento, gran parte de la supersimetría mínima está al alcance, lo que revolucionaría la física de partículas y la cosmología si se descubriera; [6] sin embargo, los resultados del experimento ATLAS en 2020 han excluido muchos modelos supersimétricos. [28] [29]
Una posible solución puede ser el cambio de las constantes fundamentales , lo que implica que, en primer lugar, las transiciones atómicas en los metales que residen en regiones de alto corrimiento al rojo podrían comportarse de manera diferente a las nuestras. Además, los acoplamientos del Modelo Estándar y las masas de las partículas podrían variar, y sería necesaria una variación en los parámetros de la física nuclear. [6]
Las cosmologías no estándar indican variaciones en la proporción de bariones a fotones en diferentes regiones. Una de las propuestas es el resultado de inhomogeneidades a gran escala en la densidad cósmica, diferentes de la homogeneidad definida en el principio cosmológico . Sin embargo, esta posibilidad requiere una gran cantidad de observaciones para comprobarla. [30]
{{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )Una misteriosa fábrica cósmica está produciendo litio. Los científicos están cada vez más cerca de descubrir de dónde proviene
... confirman el comportamiento peculiar del litio en el rango de temperatura efectiva de 5600–5900 K ... Descubrimos que la inmensa mayoría de las estrellas anfitrionas de planetas tienen litio severamente agotado ... A temperaturas más altas y más bajas, las estrellas anfitrionas de planetas no parecen mostrar ningún comportamiento peculiar en su abundancia de litio.