鋰：大爆炸理論的最后疑難？
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Shea 發(fā)表于 2009-01-01 9:30
Matthew Chalmers　文　　Shea　編譯

宇宙大爆炸之后的最初幾分鐘里究竟發(fā)生了什么？也許有一種元素可以告訴我們……



　　取下你的手機電池，你就能“親密接觸”一下已經(jīng)存在了大約137億年的一種化學元素。是的，它就是鋰，化學元素周期表中排在第3位的化學元素。鋰和其他的輕元素，包括氫和氦，被認為是在宇宙誕生之后幾乎不到1秒鐘的時間內(nèi)由原初的核反應(yīng)過程所形成的。在稍后的5分鐘多一點的時間里，宇宙便“制造”出了現(xiàn)今宇宙中所有普通物質(zhì)的基本成分。在其后的幾十億年的時間里，這些物質(zhì)會慢慢聚攏成團最終形成我們今天看到的星系和恒星。

　　宇宙誕生早期的輕核形成過程被稱為“大爆炸核合成”。我們對于大爆炸核合成的絕大部分過程的認識是極為準確的。事實上，對宇宙中氫和氦豐度（含量）的測量結(jié)果和理論預(yù)言的精確相符，因此許多宇宙學家將此做為支持大爆炸理論的最強有力證據(jù)。

　　然而，好事總是多磨的。在氫和氦取得“節(jié)節(jié)勝利”的時候，鋰卻出了點“問題”。測量到的鋰的豐度總是和理論計算對不上。宇宙中的絕大部分鋰元素是以鋰-7的形式存在的，剩下的少部分則是以它的同位素鋰-6的形式出現(xiàn)。同位素指的是具有相同質(zhì)子數(shù)、不同中子數(shù)的同一元素的不同核素。例如，鋰-7具有3個質(zhì)子和4個中子，而鋰-6則含有3個質(zhì)子和3個中子。當天文學家們測量宇宙極早期鋰-7的含量時，得到的結(jié)果只有理論計算的一個“零頭”。更糟糕的是，當他們測量鋰-6的含量的時候，得到的結(jié)果卻比他們原先預(yù)計的多了1000倍。

　　這一現(xiàn)象立刻引起了天文學家們的高度關(guān)注。“如果鋰豐度的偏差確實存在而且無法找到合理的天體物理解釋的話，那我們的麻煩就大了，”美國俄亥俄州立大學的天文學家加里·斯泰格曼（Gary Steigman）說。

　　在天文觀測手段不斷完善的今天，鋰元素豐度問題的嚴重性愈加凸顯，以致于許多科學家提出現(xiàn)在也許是該對宇宙的組成進行徹底仔細檢查的時候了。他們想在大爆炸之后的最初幾分鐘內(nèi)引入新的特殊粒子，以此來重寫宇宙中化學元素的形成過程。這一想法將對我們已有的對基本粒子、相互作用力乃至宇宙起源的認識產(chǎn)生深遠的影響。

宇宙的最初5分鐘

　　當然這已經(jīng)不是大爆炸理論第一次面臨挑戰(zhàn)了。有人提出，引力異常、極遙遠星系中出現(xiàn)的年老恒星以及宇宙微波背景輻射——宇宙大爆炸的余輝——中的奇異特征都是大爆炸理論存在問題的有力證明。而鋰元素的豐度問題之所以這么嚴重，是因為宇宙學家們把對輕元素豐度的測量做為探知大爆炸之后幾秒鐘之內(nèi)宇宙物理狀況的最可靠途徑。

　　大爆炸核合成的想法最初是在1948年由喬治·伽莫夫（George Gamow）、拉爾夫·阿爾弗（Ralph Alpher）以及羅伯特·赫爾曼（Robert Herman）共同提出的。他們的理論描述了原子核是如何從由大爆炸產(chǎn)生的基本粒子（包括質(zhì)子、中子等等）通過一系列核反應(yīng)形成的。一旦中子和質(zhì)子結(jié)合就行形成了氘核（氫的同位素，氫原子本身只含有一個質(zhì)子不含中子），更重的元素就可以通過氘核俘獲中子隨后部分中子發(fā)生β衰變成質(zhì)子而形成。


[圖片說明]：（左起）喬治·伽莫夫、拉爾夫·阿爾弗和羅伯特·赫爾曼。

　　當時伽莫夫認為所有的元素都是通過這種方式形成的，但是事后發(fā)現(xiàn)這個想法是錯誤的。按照現(xiàn)代的大爆炸核合成理論，只有四種最輕的元素才是在大爆炸中形成的。宇宙中氫的含量在宇宙誕生之后的一秒鐘內(nèi)就已經(jīng)確定下來了。

　　在宇宙度過了它的最初5分鐘之后，宇宙中四分之一的普通物質(zhì)變成了氦-4，再加上少量的氫元素同位素氘（由一個質(zhì)子和一個中子組成）和氚（由一個質(zhì)子和兩個中子組成）。這時，一些氦-4會和氦-3發(fā)生反應(yīng)形成鈹-7，之后鈹-7則會衰變成鋰-7。其他的一些氦-4則會通過與氚的碰撞直接形成鋰-7。至于元素周期表中較重的元素，它們都是由大爆炸之后幾十億年所形成的恒星制造出來的，并且通過超新星爆發(fā)播撒到星際空間的。

　　雖然最早的理論在細節(jié)上還存在一點問題，但是伽莫夫、阿爾弗和赫爾曼驚人地預(yù)言了宇宙微波背景輻射的存在，這比最終發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射早了將近20年。他們認為宇宙曾經(jīng)必定是高溫、高密的，否則核反應(yīng)的速率達不到所需的要求。為了確保這一點，他們假設(shè)在宇宙的最初幾秒內(nèi)，每個質(zhì)子或者中子都會受到十億個光子的撞擊。這些光子會一直保留到今天，但是由于宇宙的膨脹它們的波長都已經(jīng)被“拉伸“到了微波波段。

　　大爆炸核合成理論的絕妙之處就在于它提出宇宙中的輕元素豐度只和一個基本參數(shù)有關(guān)，那就是重子數(shù)和光子數(shù)之比。這里所說的重子包括質(zhì)子和中子。形象地說，重子數(shù)和光子數(shù)之比描述的是宇宙中的每個質(zhì)子或者中子可以“分攤”到多少個光子。不要小看這么一個看似不起眼的參數(shù)，正是它決定了我們宇宙的命運是永遠膨脹下去還是最終重新坍縮到一點。同時它還為宇宙中的絕大部分物質(zhì)是暗物質(zhì)提供了強有力的支持。

　　然而，直到最近重子數(shù)和光子數(shù)之比依然很難精確測量。因此，差不多40年來，天文學家們都是通過測量極早期輕元素的豐度（尤其是氘的豐度），然后再根據(jù)大爆炸核合成理論來反推重子數(shù)和光子數(shù)之比的。而為了測量早期元素的豐度就必須觀測宇宙中最年老的恒星和星系，因為它們還沒來得及被超新星爆發(fā)拋出的重元素所“污染”。

　　例如，為了尋找氘，天文學家們會研究位于我們和遙遠類星體之間的塵埃云。由于塵埃云中的某些元素（例如氘）會吸收某些特定波長的光，因此它們會在類星體光譜的某些特定波長上形成暗線（吸收線），而這些吸收線的強弱就能反映出氘的多少。

　　但是近年來，這些測定重子數(shù)和光子數(shù)之比的方法已經(jīng)被更精確的測量微波背景輻射中的漲落的方法所取代。這使得天文學家們可以更嚴格地來檢驗大爆炸核合成理論。通過采用由測量微波背景輻射得到的重子數(shù)和光子數(shù)之比，大爆炸核合成理論應(yīng)該可以得到和已有觀測相符的宇宙早期輕元素豐度。“這一檢驗對于我們極為重要，”美國普林斯頓大學的吉姆·皮布爾斯（Jim Peebles）說。他在1965年便預(yù)言了宇宙中輕元素的豐度，是最早做出這一預(yù)言的科學家之一。

禍不單行

　　從2003年美國宇航局的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）以前所未有的精度測量微波背景中的溫度漲落以來，由大爆炸核合成理論所預(yù)言的鋰含量問題開始逐漸顯露出來。根據(jù)WMAP得到的最新數(shù)據(jù)，由大爆炸核合成理論計算可以得到，在宇宙早期每1百萬個氫原子會對應(yīng)于大約8萬個氦-4、10個氘和氦-3以及一萬分之一個鋰-7。


[圖片說明]：威爾金森微波各向異性探測器和宇宙演化時間線。版權(quán)：NASA。

　　按照斯泰格曼的說法，目前觀測到的氘豐度和理論預(yù)言的氘豐度“完美吻合”。對于氦，盡管大體吻合，但是仍有一些小的偏差。但是對于鋰問題就比較嚴重了。對星系中最年老恒星的觀測發(fā)現(xiàn)，鋰-7的含量只有大爆炸核合成理論預(yù)言的三分之一。

　　不過也并不是所有人都對此驚慌失措。畢竟，恒星內(nèi)部以及宇宙線和星際氣體的碰撞也能產(chǎn)生鋰。和許多天體物理學家一樣，瑞典烏普薩拉大學的安德魯斯·科恩（Adreas Korn）懷疑通過更好地了解恒星而不是修改大爆炸理論即可解決這個問題。2006年他的小組使用甚大望遠鏡研究了18顆處于不同演化階段的老年恒星。他們發(fā)現(xiàn)，恒星內(nèi)部的物質(zhì)對流過程會破壞鋰元素。在這些老年恒星中鋰元素被破壞的數(shù)量正好可以填補觀測和理論預(yù)言之間的空缺。他們目前正計劃使用甚大望遠鏡和凱克望遠鏡進行更精細的測量來確認這一點。

[圖片說明]：安德魯斯·科恩。請注意他的帽徽。

　　然而與此同時，鋰元素豐度所出現(xiàn)的問題卻在不斷“惡化”。兩年前，現(xiàn)在在德國馬普天體物理研究所的馬丁·阿斯普倫德（Martin Asplund）及其同事在24顆老年恒星中發(fā)現(xiàn)了不同尋常的大量鋰-6。這樣一來，單一個鋰元素就出了兩個問題。

　　在大爆炸核合成理論中也能產(chǎn)生鋰-6，但是絕對沒有阿斯普倫德觀測到的那么多。他觀測到的鋰-6含量超過理論預(yù)言的1000倍。于是確認或者否定鋰-6的觀測結(jié)果就成了當務(wù)之急，因為鋰-7的缺失和超出預(yù)言的大量鋰-6可能意味著在宇宙早期還存在新的不為人知的基本粒子。

　　不過精確測定鋰-6的豐度是一件極為困難的事情。阿斯普倫德和其他四個天文學家花了差不多5年的時間來分析他們的結(jié)果，其部分原因是鋰-6的光譜信號會和更普遍的鋰-7的光譜信號交疊在一起，而且后者的強度是前者的20倍。“對這個問題的最佳解釋是其實我們目前還沒有測得鋰-6的真正豐度，”法國巴黎天文臺的羅歇·凱雷爾（Roger Cayrel）說，2007年他和他的同事通過對單顆恒星的光譜進行更詳盡的分析對阿斯普倫德的結(jié)果提出了質(zhì)疑。看來對鋰-6豐度的不同測量結(jié)果在短時間內(nèi)還無法調(diào)和。

　　最近，阿斯普倫德的小組使用夏威夷的凱克望遠鏡又觀測了10顆恒星。目前他們得到的結(jié)果更糟，許多恒星的鋰-6含量甚至比第一批觀測的還要高。現(xiàn)在他們正在進一步分析這些結(jié)果，期望能盡早公布結(jié)果。

　　英國牛津大學的理論宇宙學家約瑟夫·西爾克（Joseph Silk）相信，只有引入新的粒子才能解決鋰的豐度問題。“盡管我們還需要進一步地認識鋰這種元素，但是我不相信這是一個通過恒星內(nèi)部的物理過程就能解決的問題，”他說。

　　西爾克是懷疑存在未知粒子改變大爆炸核合成過程中甚至之后鋰元素豐度的眾多科學家之一。這一想法的絕大部分來源于超對稱理論。超對稱理論是對目前粒子物理標準模型的擴展，它認為每一種已知的粒子都有一個大質(zhì)量的伴隨粒子。

　　超對稱可以“一箭雙雕”地解決鋰-6和鋰-7的問題。2004年法國蒙彼利埃大學的卡爾斯頓·讓達齊克（Karsten Jedamzik）發(fā)現(xiàn)，如果在宇宙的最初幾分鐘內(nèi)傳播引力的引力子具有伴隨粒子的話，那么這些伴隨粒子的衰變就會影響中子和質(zhì)子之間的相互作用。即使只多出微量的中子，那也足以使得鋰-7形成的時間比標準大爆炸核合成理論要求的大幅提前。正因為如此，提前形成鋰-7會由于當時宇宙的溫度過高而被摧毀。這正好解釋了鋰-7的缺失問題。

　　多出來的中子還會把氦-4“撞碎”成一個質(zhì)子、一個中子和一個氚。氚可以和其他的氦-4繼續(xù)發(fā)生核聚變反應(yīng)生成鋰-6。讓讓達齊克真正興奮的是，這樣一個簡單的反應(yīng)鏈就可以解決鋰元素的雙重豐度問題。


[圖片說明]：宇宙大爆炸中的元素合成。

　　幾年之后，加拿大圓周研究所的馬克西姆·伯斯派洛夫（Maxim Pospelov）提出，超對稱粒子可以在第二輪的核合成中扮演催化劑的作用。他證明，如果在早期宇宙中存在τ子帶負電的伴隨粒子，那么它們會在大爆炸之后的15分鐘里和帶正電的鈹-7相結(jié)合。這一特殊的結(jié)合體會進一步俘獲一個質(zhì)子，然后衰變成兩個氦-4而不是鋰-7。

　　伯斯派洛夫還說，τ子伴隨粒子的存在不僅僅會減少鋰-7的含量，還會促進鋰-6的形成。在大爆炸之后的差不多3小時，一小部分的氦-4會和τ子的伴隨粒子結(jié)合。結(jié)合之后的產(chǎn)物和氘會發(fā)生核反應(yīng)，其產(chǎn)生鋰-6的效率是傳統(tǒng)氦-4反應(yīng)的10000倍。阿斯普倫德說，有一個粒子物理學家甚至告訴他，鋰-6豐度的觀測結(jié)果“也許是現(xiàn)今支持超對稱的最強有力證據(jù)”。

　　但是在超對稱得到直接驗證之前，這些模型恐怕很難說服所有人?？贫髡f：“在粒子物理學家的解釋真正兌現(xiàn)之前，恒星內(nèi)部的混合效應(yīng)是無法被排除的。”

　　也許真相很快就能大白于天下。有科學家提出，其實沒有必要為了鋰元素問題的粒子物理或者天體物理解釋爭得面紅耳赤，也許一年之內(nèi)誰是誰非就能見分曉了?，F(xiàn)在全世界的目光都聚焦在了歐洲的大型強子對撞機上。它的主要目的之一就是尋找支持超對稱的證據(jù)。但是也不要過分樂觀，因為引力子伴隨粒子的相互作用極其微弱。而τ子伴隨粒子的質(zhì)量又很大，大型強子對撞機可能無法直接產(chǎn)生這些粒子。不過到天文學家們可以確認或者否定現(xiàn)有鋰-6觀測豐度的時候，也許宇宙的歷史早已在實驗室里被改寫了。

[New Scientist 2008年7月5日]
本文已刊載于2008年12月的《天文愛好者》雜志，此為“譯者剪輯”版。