宇宙論的リチウム問題

ビッグバン核合成ではリチウム7とベリリウム7の両方が生成され、実際、質量数7の核種の原始合成では後者が支配的でした。一方、ビッグバンではリチウム6が1000倍以上少ない量で生成されました。74Be _は^後に電子捕獲（半減期53. ₂₂日）により^73Liに崩壊したため、観測可能な原始リチウムの存在量は、基本的に原始_73Liと74Be^の崩壊^による放射性リチウムの合計_となります。

これらの同位体は、以下の反応によって生成されます。

そして破壊された

ビッグバンで生成されたリチウムの量は計算できる。^{[ 6 ]}水素1は最も豊富な核種で、宇宙の原子の約92%を占め、ヘリウム4が8%で2番目に多い。2H 、^3H、^3He、^6Li、^7Li、^7Beなどの他の同位体ははるかに少なく、原始リチウムの推定存在量は水素に対して10⁻¹⁰である。^{[ 7 ]計算}された1Hと4Heの存在量と比率は、^若い星^の観測データと一致する。^{[ 4 ]}

恒星内部では、リチウム7は陽子-陽子連鎖反応によって生成される。

PP II 分岐は 14 ～ の温度で優勢である23  MK。

500個の恒星のサンプルでは、​​惑星を持たない太陽型恒星は、惑星を持つ太陽型恒星の10倍のリチウムを持っています。^{[ 18 ] [ 19 ]}太陽の表面層には、表面対流層がリチウムを燃焼させるほど高温ではないにもかかわらず、原始太陽ガス雲の形成時のリチウムの1%未満しか存在しません。 ^{[ 19 ]}惑星の重力が恒星表面の攪拌を強め、リチウムをリチウム燃焼が起こるより高温のコアに押し上げる可能性があると考えられています。^{[ 18 ] [ 19 ]}リチウムの不在は、新しい惑星系を見つける方法にもなり得ます。^{[ 18 ]}しかし、この主張された関係は、惑星天体物理学コミュニティで論争の的となっており、頻繁に否定されています^{[ 20 ] [ 21 ]}が、支持もされています。^{[ 22 ] [ 23 ]}

金属量の少ない星の中には、異常に高い濃度のリチウムを含むものもある。^{[ 24 ]}これらの星は、中性子星やブラックホールといった巨大な天体の周りを公転する傾向があり、それらの重力によってより重いリチウムが水素ヘリウム星の表面に引き寄せられ、より多くのリチウムが観測されるようになったと考えられる。^{[ 14 ]}

BBNの予測が妥当である可能性を考慮すると、原始リチウム存在量の測定値には誤差があるはずであり、天体物理学的解決策によって修正が提案される。例えば、電離補正や不正確な恒星温度の決定などの系統誤差は、恒星のLi/H比に影響を与える可能性がある。さらに、現在のリチウムレベルは恒星の初期存在量を反映していない可能性があるため、リチウム枯渇に関するさらなる観測が依然として重要である。最近の恒星進化モデルは、種族IIと種族Iの恒星全体にわたって原子拡散、回転誘起混合、角運動量輸送を一貫して含んでいるが、金属量の少ない矮星では、広範囲の金属量にわたってほぼ均一なリチウム枯渇が自然に発生すると同時に、より高い金属量での分散増加への観測された遷移も再現していることを示している。これらの結果は、宇宙論的リチウム問題に対する恒星枯渇解決策の根拠を強化する。^{[ 25 ]}要約すると、原始リチウム存在量の正確な測定が現在の進歩の焦点であり、最終的な答えは天体物理学的解決策にはない可能性がある。^{[ 8 ]}

一部の天文学者は、核子の速度がマクスウェル・ボルツマン分布に従わないと示唆している。彼らはツァリスの非広範統計の枠組みを検証している。彼らの結果は、1.069 < q < 1.082が宇宙論的リチウム問題の新たな解決策となる可能性を示唆している。^{[ 26 ]}

測定された原始リチウム存在量が正しく、素粒子物理学の標準モデルと標準宇宙論に基づいている可能性を考慮すると、リチウム問題はBBNの軽元素予測に誤りがあることを示唆している。標準BBNは十分に決定された物理に基づいているが、BBNでは弱い相互作用と強い相互作用が複雑であるため、標準BBN計算の弱点となる可能性がある。^{[ 8 ]}

まず、誤った反応や欠落した反応がリチウム問題を引き起こす可能性がある。誤った反応については、最近の研究に基づく断面積誤差と標準熱核反応率の修正が主な検討事項である。 ^{[ 27 ] [ 28 ]}

第二に、フレッド・ホイルによる炭素12の共鳴の発見（三重アルファ過程の重要な要素）を皮切りに、共鳴反応（その一部は実験的に検出されなかったか、あるいはその影響が過小評価されていた可能性がある）がリチウム問題の解決策となる可能性がある。^{[ 29 ] [ 30 ]}これらには以下が含まれる。

実験的および理論的分析により、第一反応と第三反応は除外される。^{[ 31 ]}

BBC Science Focusは2023年に「最近の研究はこうした理論を完全に否定しているようだ」と書き、主流のリチウム核合成計算はおそらく正しいと主張した。 ^{[ 32 ]}

すべての計算が正しいという仮定の下では、既存の標準モデルや標準宇宙論を超える解決策が必要になるかもしれない。^{[ 8 ]}

暗黒物質の崩壊と超対称性は、崩壊する暗黒物質シナリオがビッグバン原子核融合（BBN）中および後に軽元素を変化させる新しいプロセスの豊富なセットを導入し、超対称宇宙論にその起源を見出す可能性の1つを提供します。完全に稼働している大型ハドロン衝突型加速器（LHC）により、最小限の超対称性の多くが手の届く範囲にあり、発見されれば素粒子物理学と宇宙論に革命をもたらすでしょう。^{[ 8 ]}しかし、2020年のATLAS実験の結果は、多くの超対称モデルを排除しました。^{[ 33 ] [ 34 ]}

基本定数を変更することは一つの解決策となり得るが、それはまず、高赤方偏移領域に存在する金属の原子遷移が我々のものとは異なる振る舞いをする可能性があることを意味する。さらに、標準模型の結合定数や粒子質量が変化する可能性があり、原子核物理パラメータの変更が必要となるだろう。^{[ 8 ]}

非標準宇宙論は、異なる領域でバリオンと光子の比率が変動することを示唆している。一つの提案は、宇宙原理で定義される均一性とは異なる、宇宙密度の大規模な不均一性の結果である。しかし、この可能性を検証するには、膨大な量の観測が必要となる。^{[ 35 ]}