Kolmesataa

14.3.2019 klo 20.52, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kollegani Cyril Pitrou vieraili eilen Fysiikan tutkimuslaitoksella Helsingissä puhumassa kevyiden alkuaineiden synnystä. Tämä on ensimmäisiä tutkimuskohteita, joissa kosmologia toi yhteen yleisen suhteellisuusteorian ja hiukkasfysiikan, ja siinä on vieläkin setvimistä.

Tarina alkoi vuonna 1948, kun jatko-opiskelija Ralph Alpher ja hänen ohjaajansa George Gamow julkaisivat reilun sivun mittaisen artikkelin Origin of the Chemical Elements, Alkuaineiden alkuperä. Tunnettu jekkuilija Gamow lisäsi tekijäksi myös fyysikko Hans Bethen, jotta kirjoittajien nimet Alpher-Bethe-Gamow kuulostaisivat englanninkielisen ääntäminä kreikkalaisten aakkosten alulta, alfa-beta-gamma. Bethe ei tiettävästi pannut pahakseen, mutta Alpher ei juuri ilahtunut siitä, että heppoisin perustein mukaan tungettiin arvostettu vanhempi tutkija, jonka hän pelkäsi varjostavan hänen osuuttaan. (Usein muuten jatko-opiskelijat tekevät suurimman osan työstä, en tiedä miten tässä tapauksessa.)

Mitä fysiikkaan tulee, Alpherin ja Gamowin idea oli, että alkuaineet ovat syntyneet protonien ja neutronien törmäillessä toisiinsa varhaisen maailmankaikkeuden kuumassa hiukkaspuurossa. Kun maailmankaikkeus laajenee, aineen tiheys laskee, koska aineen määrä säilyy ja avaruuden tilavuus kasvaa. Toisin sanoen aineen tiheys on sitä isompi, mitä nuorempi maailmankaikkeus on. Vastaavasti aineen lämpötila laskee maailmankaikkeuden laajetessa, eli varhaisempina aikoina aine on kuumempaa.

Kun maailmankaikkeus on alle kahden minuutin ikäinen, protonit ja neutronit ovat vapaita. Ydinvoima yrittää tuoda niitä yhteen, mutta lämpötila on niin iso, että sidos hajoaa saman tien ja hiukkaset menevät omia teitään. Kahden minuutin iässä lämpötila putoaa alle miljardin asteen. Kun protoni ja neutroni kohtaavat ja ydinvoiman vetäminä yhtyvät deuterium-ytimeksi, lämpötila ei enää riitä niiden liiton tuhoamiseen. Deuterium voi sitten törmätä protoniin muodostaen helium-3:a ja niin edelleen.

Alpherin ja Gamowin idea oli, että kaikki alkuaineet syntyvät tällä tapaa, porras kerrallaan raskaampia kohti nousten. Koska lämpötila laskee koko ajan, ydinten muodostumiseen on kuitenkin käytössä vain lyhyt aika.

Helium-4:n muodostuminen loppuu noin viiden minuutin iässä, kun kaikki neutronit on käytetty. Raskaampia alkuaineita ei ehdi muodostua kuin vähäisiä määriä, koska maailmankaikkeudesta tulee niin kylmä että ydinreaktiot sammuvat. Cyril huomauttikin, että nobelisti Steven Weinbergin menestyskirjan Ensimmäiset kolme minuuttia nimen olisi pitänyt olla Ensimmäiset kolmesataa sekuntia.

Tuloksena on keitos, josta 76% on vedyn isotooppeja (yksinäisiä protoneita ja deuteriumia) ja 24% heliumin isotooppeja (helium-3 ja helium-4, joissa on yksi tai kaksi neutronia). Raskaampia alkuaineita syntyy vain vähän, eniten -miljardisosan verran- litium-7:ää (jossa on kolme protonia ja neljä neutronia). Raskaammat alkuaineet kehittyvät vuosimiljoonia myöhemmin tähtien fuusioreaktioissa, räjähdyksissä ja törmäyksissä.

Kevyiden alkuaineiden synty tuo yhteen yleisen suhteellisuusteorian ja hiukkasfysiikan Standardimallin kaikki vuorovaikutukset. Gravitaatio kertoo, miten maailmankaikkeus laajenee ja jäähtyy. Ydinvoima, joka on vahvan vuorovaikutuksen jäännös, vetää protoneita ja neutroneita yhteen, kun taas sähkömagneettinen vuorovaikutus työntää protoneita erilleen: näiden kahden voiman kilpailu määrää sen, millaisia ytimiä syntyy. Heikko vuorovaikutus taasen kertoo, miten ytimet hajoavat muodostuttuaan.

Kaikki nämä vuorovaikutukset on mitattu Maapallolla ja Aurinkokunnassa nykypäivänä. Ainoa tuntematon seikka on se, paljonko säteilyä (fotoneita ja neutriinoja) alkuminuuteilla on suhteessa protoneihin ja neutroneihin – eli kuinka kuuma maailmankaikkeus on. (Nykyään tämä voidaan määrittää erikseen kosmisesta mikroaaltotaustasta.) Niinpä teoria on ennustusvoimainen: tuntemattomia lukuja on yksi ja ennusteita on neljä: deuteriumin, helium-3:n, helium-4:n ja litium-7:n määrä suhteessa yksin jääneisiin protoneihin.

Kolmen ensimmäisen ytimen osalta ennustukset vastaavat havaintoja. Tämä on merkittävä saavutus: tulos osoittaa, että nykyään mittaamamme luonnonlait pätivät maailmankaikkeuden alkuminuutteina. Sittemmin luonnonlakeja on luodattu kauas ensimmäisen sekunnin perukoille kosmisen inflaation kautta, mutta kevyiden alkuaineiden synty oli ensimmäinen onnistunut katsaus maailmankaikkeuden alkuhetkiin, ja osoitti miten varhaista maailmankaikkeutta voi käyttää hiukkasfysiikan laboratoriona.

Litium-7:n kohdalla ennustus menee kuitenkin pieleen. Sitä havaitaan vain kolmannes ennustetusta määrästä. Joitakin vuosia helpoin selitys oli mittausvirheet siinä, miten voimakkaasti ytimet vuorovaikuttavat toistensa kanssa. Kun virherajat ovat kutistuneet, ero ennustuksen ja havaintojen välillä on kuitenkin vain kasvanut. Nykyään ydinfysiikka tunnetaan niin hyvin, että sitä on vaikea sorkkia pilaamatta onnistuneita ennusteita muille ytimille.

Cyril arveli, että vika piilee tähtien mallintamisessa. Litiumin määrä nimittäin mitataan vanhojen tähtien pinnalta. Jos tähdissä kiertää arveltua enemmän litiumia pinnalta keskustaan, se voi palaa siellä pois. Tähtien fysiikan asiantuntijoiden on kuitenkin ollut vaikea ymmärtää, miten kaksi kolmannesta litium-7:stä voisi tuhoutua siten, että muiden ydinten kohdalla ei tule ongelmia. Lisäksi mekanismin pitäisi toimia samalla tavalla monissa erilaisissa tähdissä, joissa näkyy suunnilleen sama määrä litium-7:ää.

Litium-ongelma voi myös olla merkki jostain Standardimallin tuonpuoleisesta fysiikasta, joka tuhoaa litiumia. On esimerkiksi ehdotettu, että on olemassa hieman pimeän aineen hiukkasta raskaampi hiukkanen, joka hajoaa pimeäksi aineeksi ja fotoniksi. Jos hajoamisessa syntyvän fotonin energia on juuri sopiva litium-7-ytimen rikkomiseen, se voi hävittää niitä juuri sopivasti. Pitää taas olla huolellinen, että samalla ei riko muita ytimiä, mutta tämä onnistuu.

Ei tiedetä mistä suunnasta ratkaisu löytyy, mutta on selvää, että vastauksen löytämiseksi pitää tuntea erilaisia fysiikan haaroja, yleisesti suhteellisuusteoriasta vanhojen tähtien rakenteeseen.

10 kommenttia “Kolmesataa”

  1. Anne Liljeström sanoo:

    Tunnettu jekkuilija! <3

    1. Kuten käytännön pila nimeltä Gamowin tekijä, joka hämää plasmafuusioihmisiä yhä !

  2. Lentotaidoton sanoo:

    ”Litium-ongelma voi myös olla merkki jostain Standardimallin tuonpuoleisesta fysiikasta, joka tuhoaa litiumia”.

    Kaikkea on kokeltu/tutkittu mutta probleema tuntuu pysyvän (neutronisieppauksetkaan CERNissä eivät tuottaneet vastausta). Voisivatko massiiviset neutriinot olla yksi ratkaisukeino?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Miten ajattelet massiivisten neutriinoiden liittyvän asiaan?

  3. Lentotaidoton sanoo:

    https://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang_nucleosynthesis

    These pieces of additional physics include relaxing or removing the assumption of homogeneity, or inserting new particles such as massive neutrinos.
    The second reason for researching non-standard BBN, and largely the focus of non-standard BBN in the early 21st century, is to use BBN to place limits on unknown or speculative physics. For example, standard BBN assumes that no exotic hypothetical particles were involved in BBN. One can insert a hypothetical particle (such as a massive neutrino) and see what has to happen before BBN predicts abundances that are very different from observations. This has been done to put limits on the mass of a stable tau neutrino.

    https://arxiv.org/pdf/1412.1408.pdf

    Moreover, SUSY decays can destroy 7Li and/or produce 6Li, leading to a possible supersymmetric solution to the lithium problems noted above

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ilmeisesti tässä haetaan sitä, että steriilien neutriinoiden oskillaatio aktiivisiksi neutriinoiksi (ja toisin päin) vaikuttaisi ydinteen syntyyn. esim. muuttamalla elektronin neutriinoiden määrää. En ole törmännyt malleihin, joissa litium-ongelmaa yritettäisiin selittää tällä tavalla.

      Neutriinot ovat lakanneet vuorovaikuttamasta muun aineen kanssa jo ennen ydinten synnyn alkua. Kun neutriinoja ei enää ole käytettävissä, protonit eivät voi enää muuttua neutroneiksi, neutronit vain hajoavat protoneiksi. Niinpä aikaväli neutriinoiden irtikytkeytymisen ja deuteriumin synnyn välillä määrää sen, paljonko neutroneita on käytössä, millä on iso vaikutus siihen, millaisia ytimiä syntyy. En kuitenkaan ole kuullut, että sitä säätämällä voisi vähentää litiumin pitoisuutta kolmannekseen pilaamatta muiden ydinten tarkkaan mitattuja pitoisuuksia.

      Wikipedian fysiikka-artikkelien laatu vaihtelee, en itse käyttäisi niitä lähteenä. (Sen sijaan monien matematiikka-artikkeleiden taso vaikuttaa hyvältä.)

  4. Erkki Kolehmainen sanoo:

    NMR-spktroskopiaa vuosikymmeniä tehneenä jäin ihmettelemään, miksei synny Li-6- ja 3-H-ytimiä. Entä 9-Be?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Melkein kaikki tritium kuluu He-4:n valmistamiseen, prosesseissa H-3 + p -> He-4 ja H-3 + H-2 -> He-4 + n. Vaikka sitä jäisi aluksi yli, niin tritium hajoaa 12 vuoden puoliintumisajalla He-3:ksi.

      Litium-6:sta syntyy, mutta sitä myös hajoaa törmäyksissä, koska sen sidosenergia on pieni. Luulen että sen takia sen loppupitoisuus on pieni.

      Beryllium-7 syntyy niin myöhään, että vapaita neutroneita ei enää juuri ole Be-9:n tuottamiseksi (ja lämpötila on myös laskenut). Tuotettu Be-7 sitten hajoaa Li-7:ksi.

  5. Voisi kuvitella että riittävän suuri määrä neutriinoja olisi voinut vähän kiihdyttää vapaan neutronin betahajoamista protoniksi ja elektroniksi. Eli kun normaalisti prosessi on n->p+e+antinue, niin sama verteksi on myös nue+n->p+e. Kosmiset neutriinot ovat nykyään niin matalaenergisiä että ne eivät näy mittauksissa, joten niiden tiheyttä ei suoraan pysty mittaamaan. Varmaankin tämän on joku laskenut, että onko efektillä ollut jotain merkitystä nukleosynteesiin vai ei.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kosmisten neutriinoiden määrä vaikuttaa laajenemisnopeuteen sekä ydinten synnyn että mikroaaltotaustan aikaan. Tämä on niiden pääasiallinen vaikutus ydinten syntyyn. Niitä voi olla vain 15% tavallista enemmän, muuten laajeneminen on liian nopeaa, neutroneita on jäljellä liian paljon ja helium-4:ää syntyy liikaa.

      Tuo mainitsemasi reaktio ei enää juuri vaikuta ydinten synnyn aikaan, koska neutriinojen vuorovaikutukset ovat niin heikkoja ydinten synnyn lämpötilassa, että ne eivät juuri törmäile neutroneihin. Standardineutriinojen korjaus prosessin kulkuun on vain 1.5%. Niiden lukumäärän kasvattaminen 15%:lla on siis vain pieni korjaus pieneen korjaukseen, eikä käsittääkseni voi pudottaa litiumin osuutta kolmannekseen.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *