Universums litium återfunnet

När universum skapades, för knappa femton miljarder år sedan, bildades bara väte. För att tyngre atomkärnor skulle kunna bildas genom fusionsprocesser så måste först den tyngre men relativt instabila väteisotopen deuterium bildas. Men i det oerhört heta och komprimerade universumet så slogs de omedelbart sönder av just den höga temperaturen. Efter 3 minuter sjönk temperaturen så att deuteriet var stabilt och helium och litium kunde bildas. Strax därefter, när universum var tio minuter gammalt, upphörde denna första kärnsyntes.

Ingen fungerande modell för Big Bang

Big Bang-teorin förutspår, med häpnadsväckande noggrannhet de ursprungliga förekomsterna av väte, helium och litium. Detta scenario är ganska okontroversiellt. Men det har funnits ett problem med det: Kosmologerna har hittat för lite litium. Faktiskt bara hälften av vad som borde finnas. Detta har varit ett problem för hela kosmologin.

– Mätningarna av de grundämnen som producerades i Big Bang måste alla visa på samma förhållande mellan antalet baryoner – i princip protoner och neutroner – och fotoner, ljuspartiklar. Det var inte fallet med litium. I och med det var det svårt att få ihop en fungerande modell för Big Bang, säger Andreas Korn, forskarassistent i astronomi vid Uppsala universitet. Men nu har en internationell grupp astrofysiker, lett av Andreas Korn, kunnat visa vart det saknade litiumet tagit vägen.

Litiumproblemet är ett ganska nytt problem. Det blev uppenbart först vid den stora kartläggningen av den kosmiska bakgrundsstrålningen som gjordes i början av decenniet. För detta hade man använt just litiumförekomsten för att lära sig om förhållandet mellan baryoner och fotoner. Man använde alltså litiumet som en måttstock.

Litium är svåråtkomligt

Det Andreas Korn och hans kollegor gjort är att de tittat på diffusion – mikroskopisk gastransport i stjärnor. I detta fall rör det sig om hur materia transporteras från ytan och ned i djupen. Om det sker en systematisk transport av litium ner i stjärnan, och alltså "utom synhåll", så skulle detta kunna förklara varför man mäter upp för lite litium idag.

– Denna teoretiska idé har funnits åtminstone i två årtionden, men ingen har hittills kunna bekräfta den i verkligheten, säger Andreas Korn, som är huvudförfattare till Nature-artikeln. På grund av stjärnans eget gravitationsfält tenderar grundämnen att långsamt diffundera ner till lager i stjärnan som inte går att observera. Dessa grundämnen förs tillbaks till stjärnytan först under slutet av stjärnans liv, då den blir en jätte.

Det finns dock två huvudproblem med att testa denna idé med hjälp av observationer. För det första är det näst intill omöjligt att bestämma vilken kemisk sammansättning en ensam stjärna bildades av. Man måste därför studera en homogen grupp stjärnor. För det andra är litium ett ganska ömtåligt grundämne som inte överlever resan genom stjärnan. Litiumhalten i jättestjärnor kommer således inte att vara den ursprungliga.

Får stora konsekvenser

För att testa iden jämförde forskarna förekomster av grundämnen som är lätta att observera, som järn eller kalcium, i outvecklade och mer utvecklade stjärnor i en så kallad klotformig stjärnhop. Det är en enorm anhopning av hundratusentals stjärnor som är samlade i ett klot inom ett relativt sett mycket litet område. Anledningen till att Andreas och hans kollegor valde just en sådan är att alla stjärnor i en sådan hop föds tillsammans med samma grundämneshalter.

Forskarna fann att grundämneshalter var relaterad till stjärnans utvecklingsstadium. Detta stämde förträffligt med de teoretiska diffusionsmodellerna. Det måste alltså ursprungligen ha funnits mer litium än vad outvecklade stjärnor påvisar, nämligen ungefär den mängd som förutsägs av Big Bang-teorin. Konsekvenserna av upptäckten sträcker sig dock långt bortom litium. Kosmokemin – läran om ämnenas ursprung och förekomst – måste ses över.

– Nu måste vi korrigera över hela linjen för diffusionen. Vi måste räkna om förekomsten av alla andra ämnen också, säger Andreas Korn. Åtminstone när det gäller många gamla stjärnor.