Сложная загадка легкого металла: откуда в космосе столько лития?

В наши дни литий есть везде. Еще в середине 19 века этот мягкий, серебристо-белый металл был лекарством. Врачи лечили с его помощью психиатрические расстройства вроде маний. Даже сегодня этот металл используется в качестве лекарства от биполярного расстройства. Но для многих людей литий также стал синонимом батарей и аккумуляторов. Это важный ингредиент, благодаря которому работают ваши телефоны, ноутбуки и другие портативные устройства. С развитием гибридных и электрических автомобилей, рынок этого металла только растет; к 2025 году он утроится в объемах, считают в Goldman Sachs.

Большая часть мировых запасов лития находится в Южной Америке и по большей части в отложениях под сухими озерами в высокогорных районах Анд. Но литий существовал здесь гораздо дольше, чем любая гора или даже сама Земля. Более того, литий является одним из исходных, первичных элементов — наряду с водородом и гелием — которые появились в результате Большого Взрыва 13,8 миллиарда лет назад.

История лития долгая и окутана тайной. В период после Большого Взрыва большая часть образованного лития пропала без вести. Более того, когда астрономы смотрят на современную Вселенную, они находят дополнительный литий: примерно в четыре раза больше, чем должно было появиться в результате Большого Взрыва.

Более десяти лет ученые пытались выяснить, откуда взялся этот лишний литий. И благодаря последним открытиям поиск таинственных космических фабрик по производству лития может, наконец, завершиться.

В космосе больше лития, чем было создано в процессе Большого Взрыва

Кислород, которым мы дышим, и железо в вашей крови — большинство элементов в вашем теле были выкованы в ядерных топках звезд. Как сказал астроном Карл Саган, «мы сделаны из звездного материала».

И все же элементы потяжелее — вроде титана, который часто используется в велосипедах, — требуют чего-то более жестокого. Большинство из них производились в ядерных реакциях во время взрывной гибели массивных звезд. Некоторые металлы — такие как золото, возможно, были рождены в сильных столкновениях нейтронных звезд, сверхплотных ядер мертвых звезд.

Но самые базовые элементы были сделаны в первые три минуты после Большого Взрыва. Ранняя Вселенная была горячим супом из плазмы, и по мере остывания и расширения она коагулировала в основном в виде атомов водорода и гелия, двух простейших и самых распространенных элементов, ядра которых состоят из одного и двух протонов соответственно.

Большой Взрыв также произвел следы тяжелой версии водорода — дейтерия — ядро которого несет в себе дополнительный нейтрон вместо единственного протона — и более легкую версию гелия, ядро которого включает один нейтрон, а не два. Также Большой Взрыв оставил после себя небольшие количества лития.

Вот и всё. Через три минуты Вселенная слишком остыла, чтобы сформировались другие элементы.

И хотя это произошло 13,8 миллиарда лет назад, ученые прекрасно представляют и понимают ядерные реакции, которые произвели эти первые элементы. Спутники вроде WMAP и Планка осуществили точные измерения ранней Вселенной и позволили ученым точно рассчитать, сколько должно было быть произведено каждого элемента и изотопа.

Некоторые металлы могли родиться в процессе столкновений нейтронных звезд

Но когда ученые сравнивают свои расчеты с тем, что наблюдают, далеко не все совпадает. «Дейтерий в порядке. Гелий тоже», говорит Брайан Филдс, астрофизик Университета штата Иллинойс в США. «Только литий выбивается».

И выбивается очень сильно. Лития в три раза больше, чем должно быть, и это расхождение назвали «проблемой первичного лития». Впервые недостающий литий космологи подметили 20 лет назад и с тех пор пытаются подобрать подходящее объяснение.

Возможно, предполагают ученые, некие неизвестные процессы внутри звезд уничтожили древний литий. Или объяснение может включать совершенно новую физику. Например, взаимодействия с темной материей, неизвестным веществом, из которого состоит четверть космоса, каким-то образом могли уничтожить литий в ранней Вселенной.

И хотя в ранних эпохах, кажется, лития недоставало, в современном космосе его даже слишком много. Астрономы обнаружили относительно обильные количества лития на поверхности молодых звезд, которые образовались сравнительно недавно, а также в метеорах в Солнечной системе. Существует примерно в четыре раза больше лития, чем было произведено в результате Большого Взрыва — в галактике его насобиралось бы на 150 солнечных масс.

Должно быть что-то, что произвело этот избыток лития и разбросало его в космосе, где он постепенно стал включаться в зарождающуюся Солнечную систему и миллиарды лет спустя в батареи вашего мобильного телефона. Вопрос лишь в том, что?

Темная материя остается загадочной

Один из вариантов — космические лучи: высокоэнергетические частицы, по большей части протоны, которые пронизывают космос. В процессе этого космические лучи могут сталкиваться с блуждающими атомами, например, кислорода. Это столкновение разрушает атом кислорода на куски, превращая его в поток мелких элементов, в том числе и литий.

Хотя этот процесс, скорее всего, происходит по всей галактике, как говорит Филдс, расчеты показывают, что эти столкновения могут объяснить не больше 20% наблюдаемого лития. Еще 20% можно связать с Большим Взрывом. 60% остается без объяснения.

Часть этих 60% может исходить от определенного типа звезд, которые называются асимптотической ветвью гигантов (АВГ). Это звезды с небольшой и средней массой — не больше 10 солнечных — которые уже почти отжили свое. Ядерные реакции внутри этих звезд производят литий, который затем может подняться на поверхность. Неясно только, сколько лития выбрасывается и распространяется по всей галактике.

И есть еще звездные взрывы, которые называются новыми. В отличие от сверхновых, их более крупных и мощных аналогов, новые не являются прямым результатом смертей звезд. Эти более умеренные взрывы происходят на поверхности белого карлика, маленького трупа звезды типа Солнца.

Два плотных белых карлика

Если белый карлик оказывается на орбите другой звезды, гравитация белого карлика может забирать водород и другие материалы у своего партнера. Слои материала накапливаются на поверхности белого карлика. Это приводит к росту температуры и давления, что в конечном итоге вызывает термоядерный синтез — и ядерные реакции, которые производят литий.

Ядерный синтез еще больше повышает температуру, что приводит к большему числу термоядерных реакций. Очень скоро слои материала взрываются, что на Земле видят как яркую звезду: сверхновую.

В результате взрыва материал — в том числе и литий — выбрасываются в космос со скоростью в несколько тысяч километров в секунду. Поэтому новые лучше распространяются материал, чем звезды АВГ, говорит Лука Иццо, астроном Института астрофизики Андалусии в Испании.

В течение многих лет астрономы пытались определить, какой из этих трех процессов — космические лучи, звезды АВГ или новые звезды — может производить большую часть лития. «Мы знаем, что все эти процессы определенно производят литий», говорит Филдс. «Вопрос в том, производят ли они его одинаково или какой-то преобладает? Спор на эту тему ведется уже очень долго».

Говоря о новых, ученые впервые подумали о них как о возможных фабриках лития около 40 лет назад. В середине 1990-х годов были проведены точные расчеты, которые поддержали эту гипотезу, но все равно она остается сугубо теоретической, не подтвержденной наблюдениями. Много лет никто не мог увидеть производство лития с помощью новой звезды. Но в начале 2015 года это изменилось.

Вооружившись новыми продвинутыми инструментами и методами, две группы астрономов в Японии и Европе, наконец, обнаружили литий в новых. Это открытие не только подтвердило, что новые действительно производят литий, но и что делают это очень шустро — возможно, достаточно, чтобы объяснить с их помощью большую часть галактического лития.

«Результаты, когда я их увидел, были совершенно поразительными», говорит Самнер Старфилд, астрофизик Университета штата Аризона, один из первых, кто начал изучать потенциал производства лития в новых в конце 1970-х годов.

И вот в 2015 году группа под руководством Акито Тадзицу из Национальной астрономической обсерватории Японии нашла бериллий в новой звезде. Это был верный признак того, что новые производят литий, поскольку бериллий распадается именно на литий.

Через несколько месяцев Иццо и его команда опубликовала исследование, в котором напрямую обнаружила литий в другой новой. В начале 2016 года группа Тадзицу открыла бериллий еще в двух звездах (одна из них называлась V5668). В том же году Иццо вместе с учеными под руководством Паоло Моларо из Астрономической обсерватории Триеста в Италии подтвердил обнаружение бериллия в V5668.

Это в общей сложности четыре новых звезды с признаками производства лития, одна из которых была подтверждена двумя независимыми командами. «Эксперты по спектроскопии также получили аналогичные результаты», говорит Хорди Хосе, астрофизик Технического университета Каталонии в Испании. «Это уже о чем-то да говорит».

«Им удалось захватить новую в процессе работы сразу же после взрыва и они смогли измерить материал, которые был извергнут непосредственно», говорит Филдс. «Тонны лития».

На самом деле, говорит Иццо, новая звезда, которую наблюдала его команда, производит так много лития, что две аналогичных новых в год могли создать весь наблюдаемый в галактике литий. Это предварительная оценка, и астрономы должны изучить другие новые звезды, чтобы уточнить и подтвердить измерения.

Тем не менее любые данные идут на пользу. «С помощью этих измерений мы начинаем зондировать истину», говорит Филдс. Ученые вроде Старфилда и Хосе, теоретики, которые десятками лет голодали без данных, теперь планируют повторить свои расчеты и модели и сравнить их с новыми наблюдениями. «Теперь игра началась», говорит Хосе.

Далее ученые смогут подтвердить текущие модели работы новых и точно определить, сколько лития они извергают. Основываясь на предыдущих моделях, ученые вроде Хосе подсчитали, что новые могут покрыть до половины лития, не произведенного Большим Взрывом. Но с новыми наблюдениями, говорит он, новые могут произвести до 80% вторичного лития.

Чтобы было ясно, эти работы не решают проблему первичного лития — загадку, почему в ранней Вселенной было так мало этого металла. Но новые открытия грядут.

«Поскольку теперь мы лучше понимаем вторичные процессы производства лития — как живые и мертвые звезды его делают — это помогает нам распутывать историю лития в нашей галактике, сколько его было рождено и в какой момент к картине стали добавляться новейшие источники лития», говорит Филдс.

Ученые надеются раскрыть полную историю этого скромного металла, без которого не могут наши технологии. Подумать только: какой длинный путь, наряду с водородом и кислородом, прошел этот легчайший и такой важный для нас металл.