LUNA riproduce la nucleosintesi del litio

Uno dei problemi ancora aperti dell’astrofisica riguarda la questione del litio. Infatti, la quantità di litio prevista nelle stelle non è quella che ci aspettiamo (post1; post2). Nonostante ciò, i calcoli sono esatti, così come è stato confermato per la prima volta da un esperimento recente condotto presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso che ha permesso di calcolare la percentuale di litio che si produce sotto certe condizioni estreme, come quelle che hanno caratterizzato, appunto, il Big Bang.

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The Big Bang model still ‘survives’

Un gruppo internazionale di ricercatori sono stati in grado di verificare alcune previsioni del modello del Big Bang eliminando così una discrepanza significativa che ha tenuto i fisici col fiato sospeso per almeno due decenni. Uno dei problemi fondamentali dell’astronomia riguarda l’inconsistenza tra l’abbondanza degli isotopi del litio osservati nelle stelle più vecchie della nostra galassia che suggeriscono dei livelli di litio-6 circa 200 volte superiori e di litio-7 circa 3-5 volte inferiori rispetto a quanto calcolato in base alla nucleosintesi primordiale. Per risolvere l’enigma astrofisico, gli scienziati hanno cercato di introdurre dei processi fisici più esotici per riconciliare le differenze osservate.

The team, led by Karin Lind of the University of Cambridge, has proven the decades-old inventory relied on lower quality observational data with analysis using several simplifications that resulted in spurious detections of lithium isotopes. Using observations of ancient stars with W. M. Keck Observatory’s 10-meter telescope and state-of-the-art models of their atmospheres has shown that there is no conflict between their lithium-6 and lithium-7 content and predictions of the standard theory of Big Bang nucleosynthesis, restoring thus the order in our theory of the early Universe. The discovery that the universe was expanding by Edwin Hubble in the 1920s and subsequent observations suggest the Universe began about 13.8 billion years ago in an event called the Big Bang. The fundamental observations that corroborate the Big Bang are the cosmic microwave radiation and the chemical abundances of the light elements described in the Big Bang nucleosynthesis theory. “The predictions of Big Bang nucleosynthesis have been one of the main successes of the standard Big Bang model”, said lead author Lind. “Our findings remove much of the stark tension between 6Li and 7Li abundances in stars and standard BBN, even opening up the door for a full reconciliation. This further consolidates a model resting heavily on the pillars of the cosmic microwave background and the expanding Universe”. Taking accurate measurements of lithium-6 and lithium-7 in old stars is extremely challenging, both from a theoretical and observational perspective, in particular for lithium-6, because being the less abundant isotope of lithium, its signature is very weak. The required data can only be obtained with the largest telescopes on Earth such as the Keck Observatory on the summit of Mauna Kea, Hawaii equipped with the powerful High Resolution Echelle Spectrometer (HIRES) spectrograph to disperse the stellar light into its constituent colors and absorption features. “Back in 2004 HIRES was upgraded with CCDs having smaller pixels, allowing to see finer details in the spectrum”, University of Sao Paulo’s Jorge Meléndez said. “A high spectral resolution provided by HIRES is needed to study with exquisite detail the line profile and to estimate the presence of Lithium-6. The large light-collecting power of Keck Observatory allowed us to observe stars with a more ‘pristine’ composition than any previous study”. Even with the mighty Keck I telescope, a single star must be observed for several hours to gather enough photons for a detailed observation. The modeling of such data is also very demanding, as different processes in the atmospheres of such metal-deficient old stars may mimic the presence of lithium-6. The data must be analyzed using sophisticated model atmospheres created by the team in 3D and included complex calculations that run for weeks on powerful super computers. “We simultaneously relaxed two key physical assumptions in the modeling of stellar atmospheres; one-dimensional hydrostatic and local thermodynamic equilibrium”, Lind said. “Using more sophisticated physics and powerful super-computers, we managed to remove the systematic biases that plague traditional modeling and have previously led to false identifications of the 6Li/7Li isotopic signature”. The synergy of high quality Keck observations and detailed theoretical modeling has solved cosmological problems that haunted particle physicists and astrophysicists during the last two decades. “Understanding the birth of our Universe is pivotal for the understanding of the later formation of all its constituents, ourselves included”, Lind said. “The Big Bang model sets the initial conditions for structure formation and explains our presence in an expanding Universe dominated by dark matter and energy”. The Big Bang theory now rests on more firm footing.

Keck Observatory: International Team on Keck Observatory Strengthens Big Bang Theory

aXiv: The lithium isotopic ratio in very metal-poor stars

Neutrini, le particelle del Big Bang

Alcuni scienziati della University of Huddersfield sono impegnati in una collaborazione internazionale assieme ad altri colleghi appartenenti ad altri istituti nel tentativo di svelare un mistero legato ad una particella che avrebbe giocato un ruolo fondamentale per l’origine dell’Universo.

La scoperta dei neutrini e delle rispettive antiparticelle risale a più di 50 anni fa. I fisici ritengono che queste particelle vennero create in seguito al Big Bang e sono convinti che esse potrebbero fornirci nuovi indizi di vitale importanza per comprendere la natura del nostro Universo. Queste particelle hanno una massa quasi trascurabile, viaggiano con velocità relativistiche interagendo debolmente con la materia e si trasformano mentre si propagano. Quest’ultimo fenomeno, noto come oscillazione dei neutrini, rende queste particelle estremamente elusive. “Per studiare i neutrini, dobbiamo massimizzare la produzione delle rispettive antiparticelle un processo che è alla base della mia ricerca” spiega Adriana Bungau dell’University of Huddersfield e membro dell’International Institute for Accelerator Applications. Questo progetto di ricerca avrà lo scopo di costruire un nuovo acceleratore di particelle nel quale fasci di protoni saranno deviati verso un bersaglio costituito da un cilindro di berillio-9 circondato da un altro cilindro di litio-7 mantenuto a basse temperature. Questo processo permetterà la produzione continua di isotopi del litio-8 che decadranno rapidamente dando luogo ad una elevata formazione di antiparticelle. Bungau è convinta che questi esperimenti sugli antineutrini permetteranno di ricavare nuovi indizi sulla natura e l’origine dell’Universo.

[Abstract: In Search of Sterile Neutrinos]

arXiv: Target Studies for the Production of Lithium8 for Neutrino Physics Using a Low Energy Cyclotron

Continua il mistero dell’apparente anomalia del litio-7

Circa trent’anni fa, Monique and François Spite dell’Osservatorio di Parigi realizzarono una serie di osservazioni in merito all’abbondanza dell’elemento litio-7 nell’Universo, ottenendo dei risultati alquanto sconcertanti (vedasi questo post). In altre parole, studiando gli aloni delle stelle più vecchie essi avevano notato la presenza di una abbondanza di litio-7 maggiore rispetto a quella che sarebbe stata presente nello spazio. Da allora, molti studi hanno tentato di capire il perché di questa apparente anomalia ma finora nessuno è stato in grado di fornire una adeguata spiegazione. Oggi, studi più recenti infittiscono ancora questo mistero poiché è stato trovato che la quantità di litio-7, calcolata lungo la linea di vista che separa la Terra da una stella molto giovane situata nella Piccola Nube di Magellano, è in accordo con quanto ci si aspetta subito dopo il Big Bang. Lo scienziato Christopher Howk e collaboratori suggeriscono che questa discrepanza è alquanto enigmatica in quanto non può essere spiegata con i moderni modelli astrofisici.

Ciò che preoccupa maggiormente gli scienziati che studiano l’anomalia del litio-7 è dovuto al fatto che questo elemento è l’unico che non quadra con i modelli che descrivono l’evoluzione dell’Universo subito dopo il Big Bang. Tutti gli elementi si formano secondo quantità note, fatta eccezione appunto per il litio-7: se ne trova circa un terzo rispetto a quanto ipotizzato dai teorici. Per cercare di risolvere questo problema, gli astronomi hanno studiato le stelle più vecchie che circondano la Via Lattea, prendendo in considerazione anche i bosoni di massa più leggera, come gli assioni, e persino i sistemi stellari binari in cui una componente è un buco nero. Sfortunatamente, però, questi studi hanno peggiorato il problema indicando che ci dovrebbe essere una percentuale maggiore di litio-7 da qualche parte nello spazio rispetto a quanto previsto. I ricercatori hanno osservato una stella giovane che si trova nella Piccola Nube di Magellano, analizzando lo spettro del gas e delle polveri che si trovano interposte lungo la linea di vista. I dati indicano che la percentuale di litio-7 è consistente con quella prevista dai modelli anche se il problema non è comunque risolto poiché gli scienziati sanno che ce ne dovrebbe essere una quantità maggiore che sarebbe stata prodotta nel corso di 13 miliardi di anni. Dunque, questi risultati infittiscono ancora di più il mistero perché non solo non spiegano dov’è tutto il resto del litio-7 ma non si riesce nemmeno a spiegare il perché l’elemento non è stato creato sin dalle origini dell’Universo così come previsto dai modelli.

 Abstract: Observation of interstellar lithium in the low-metallicity Small Magellanic Cloud  

ArXiv: Observation of interstellar lithium in the low-metallicity Small Magellanic Cloud

Come mai c’è poco litio-7 nell’Universo?

Circa trent’anni fa, i cosmologi Monique Spite and François Spite dell’Osservatorio di Parigi annunciarono una notizia clamorosa relativa all’apparente mancanza di litio-7 nelle stelle più vecchie dell’alone galattico, un risultato che portò al problema di chiedersi come mai fosse presente una percentuale così bassa rispetto a quanto previsto dal modello cosmologico standard o del Big Bang. Da allora, è stato notato che l’elemento litio-7 si ‘rifiuta’, per così dire, di far parte del quadro descrittivo che ci descrive l’evoluzione dell’Universo: in altre parole, non ce ne abbastanza. Oggi, le cose sembrano ancora peggiorate dato che i ricercatori Fabio Iocco e Miguel Pato dell’Università di Stoccolma e dell’Università della Tecnologia a Monaco hanno pubblicato uno studio in cui viene descritto il processo di produzione del litio-7 ad opera dei buchi neri.

L’attuale modello cosmologico standard descrive l’evoluzione dell’Universo a partire da circa 14 miliardi di anni fa quando emersero lo spazio, la materia e l’energia in seguito ad una grande esplosione iniziale, il Big Bang. Durante quei momenti iniziali si formarono gli elementi che sono presenti oggi con una percentuale consistente con quella descritta dal modello. Tuttavia, il litio-7 fa eccezione e, per qualche motivo ancora sconosciuto, esso risulta presente con una percentuale pari a un terzo di quella che dovrebbe essere. Ma il fatto sorprendente deriva da uno studio recente ad opera dei ricercatori Iocco e Pato che suggerisce una percentuale ancora maggiore e che potrebbe essere addirittura doppia di quella prevista dal modello cosmologico. I due ricercatori, mentre studiavano l’emissione nella banda dei raggi-X associata ai sistemi stellari binari, in cui una delle due componenti è un buco nero, hanno identificato la distribuzione toroidale di materia che circonda la stella. Dopo una serie di calcoli relativi alla velocità con cui essa si muove attorno alla stella, i due ricercatori hanno ricavato per la materia un valore della temperatura dell’ordine di 100 miliardi di gradi Kelvin. In queste condizioni, i nuclei di elio possono produrre in seguito alle collisioni l’elemento litio-7 e ciò implica che deve essere presente con una quantità maggiore rispetto a quanto ipotizzato in precedenza. Inoltre, nel loro articolo, Iocco e Pato affermano che se questo processo di collisione dei nuclei di elio determina anche la produzione di elio-7 con almeno una quantità dell’ordine dell’1%, allora la sua percentuale totale dovrebbe eguagliare quella prevista dal modello cosmologico standard.

ArXiv: Lithium Synthesis in Microquasar Accretion