— Published on 03/08/2015 / Bug.hr.
Južni europski opservatorij (ESO) ovih je dana je na svojim mrežnim stranicama objavio vijest da je jedan od njegovih teleskopa prvi put detektirao element litij u ostacima zvijezde koja je relativno nedavno bila eksplodirala. Važnost tog otkrića postaje jasna tek u kontekstu "problema primordijalnog litija" – nezanemarive razlike između teorijskog predviđanja udjela litija u svemiru i astronomskog opažanja tog udjela. Dosadašnja mjerenja pokazala su da starije zvijezde redovito sadrže manje od očekivanog udjela litija, što je neugodna činjenica za teoriju velikog praska. S druge strane, ispalo je da mlađe zvijezde sadrže više od očekivanog udjela litija, no nije bilo jasno kako su do njega došle. Sve u svemu, za razumijevanje kozmičkog litija nedostajao nam je važan djelić slagalice. A sad smo ga, čini se, našli.
Litij je kemijski element s atomskim brojem tri. Znači, treći po redu u periodnom sustavu elemenata. Ili, element s tri protona u jezgri. Broj neutrona u atomskoj jezgri litija može biti od nula – što je krajnje nestabilna konfiguracija - do devet, ili čak i više od devet – što je opet iznimno nestabilno. Broj neutrona određuje vrstu izotopa, no važna je činjenica da su samo dva litijeva izotopa stabila: litij-6 s tri protona i tri neutrona te litij-7 s tri protona i četiri neutrona. Svi ostali izotopi su nestabilni i prilično kratkoživući. Litij-8 ima vrijeme poluraspada od 838 milisekundi, dok ostali radioaktivni litijevi izotopi žive znatno kraće. Dakle, u prirodi nalazimo samo litij-6 (oko 8%) i litij-7 (oko 92%). Ostali izotopi litija mogu nastati nuklearnim reakcijama na Zemlji ili u svemiru, ali se vrlo brzo raspadnu.
Iz kozmičke perspektive, najzanimljiviji podatak o litiju je da spomenuta dva stabilna izotopa litija nisu nastala nuklearnim reakcijama u zvijezdama, što je tipičan proces nastanka većine kemijskih elemenata. Nešto litija doduše može nastati u zvijezdama. Dio litija stvorile su i kozmičke zrake nuklearnim procesima u međuzvjezdanom prostoru. No, bitan je podatak da je značajan dio litija koji postoji danas u svemiru nastao primordijalnom nukleosintezom – nuklearnim reakcijama neposredno nakon velikog praska. Stoga punjive baterijame na bazi litija, koje svakodnevno koristimo u svojim elektroničkim uređajima, sadrže litij star 13,8 milijardi godina.
Suprotno raširenom mišljenju, teorija velikog praska nije "samo teorija" - nečija luda ideja koja se svodi tek na zgodnu priču, ili mit, da je cijeli svijet nastao velikom eksplozijom. Teorija velikog praska je znanstvena teorija što znači da je krenula od hipoteze koju je moguće provjeriti, i koju je moguće opovrgnuti. Tu hipotezu sad nazivamo teorijom zato što ju eksperimenti nisu opovrgli nego su ju puno puta potvrdili. Osim toga, teorija velikog praska nije priča – premda njezine glavne ideje možemo riječima prepričati – nego je matematički model koji daje vrlo precizna predviđanja. Ta predviđanja, koja su dosad dobila brojne potvrde, mogu se podijeliti u četiri glavne klase: [1] udaljavanje galaksija; [2] kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje; [3] razvoj izvangalaktičkih objekata; i ono što je u ovom kontekstu najbitnije, [4] udjeli primordijalnih elemenata.
Dakle, teorija velikog praska uključuje primordijalnu nukleosintezu – nastanak elemenata težih od osnovnog izotopa vodika (vodika-1). U prvih nekoliko minuta nakon velikog praska nastali su deuterij (vodik-2), helij-3, helij-4 i litij-7. Izotopi helija neprestano nastaju i nukleosintezom u zvijezdama, no veći dio helija u svemiru ipak je nastao primordijalnom nukleosintezom. Uglavnom, omjeri spomenutih izotopa nastalih neposredno nakon velikog praska mogu se mjeriti u dalekim kozmičkim oblacima primordijalnog plina. Takva su mjerenja potvrdila ono što je predvidjela teorija velikog praska.
No u cjelokupnoj slici svemira litija bi, s određenim udjelom, moralo biti i na raznim drugim mjestima. Primjerice u atmosferama zvijezda. Očekivalo se da bi starije zvijezde trebale odražavati primordijane omjere izotopa, naravno modificirane poznatim nuklearnim procesima koji se u zvijedama zbivaju. Pod starijim zvijezdama misli se na zvijezde prve generacije koje su nastale zgušnjavanjem primordijalnog plina. Za razliku od helija, litij u unutrašnjostima zvijezda ne nastaje, nego zapravo nestaje. Naime, atomske jezgre litija su krhke (stručno se kaže da imaju nisku energiju vezanja) pa u uvjetima visokog tlaka i temperature, u središnjim dijelovima zvijezda, bivaju razbijene. No, u gornjim, hladnijim slojevima zvijezda, čiji sastav jedino i možemo opaziti spektroskopskim metodama, trebalo bi biti litija.
Konačno, litij u atmosferama i vanjskim slojevima zvijezda jest opažen, ali ne baš u očekivanom omjeru s obzirom na druge kemijske elemente. Kod starijih zvijezda opažanja su pokazala udio manji od očekivanog. Da smo sigurni da se udio litija tamo nije mogao promijeniti onda bi ta opažanja ozbiljno ugrozila teoriju velikog praska. No, nismo sigurni. Štoviše neka nedavna istraživanja pokazala su da atmosfere zvijezda s vremenom gube litij i da ga u starijim zvijezdama mora biti manje.
S druge pak strane, pokazalo se da mlađe zvijezde (one koje su nastale zgušnjavanjem materijala preostalog iz eksplozija zvijezda prethodne generacije) sadrže više od očekivanog udjela litija. Već gotovo pola stoljeća nagađa se odakle taj višak litija u atmosferama mlađih zvijezda. Jedna od hipoteza bila je da taj litij potječe iz materijala koji je u okolni prostor izbačen eksplozijom nove. No, to dosad nije bilo potvrđeno. Usput, nova nije supernova. U oba se slučaja radi o eksplozijama zvijezda. Ali, supernova je eksplozija vrlo masivne zvijezde koja je tek potrošila svoje nuklearno gorivo. A nova je manje masivna zvijezda u dvojnom sustavu koja je u nekoj ranijoj fazi bila potrošila nuklearno gorivo te završila kao bijeli patuljak pa je onda naknadnom akrecijom navukla dodatnu masu od svojeg kompanjona i tek tada eksplodirala.
Detekcija litija spomenuta u uvodu odnosi se na litij-7 opažen u ostacima eksplozije nove V1369 iz zviježđa Kentaur. Eksplozija je bila otkrivena u prosincu 2013. godine, a dva teleskopa opservatorija ESO opažala su ostatke V1369 prva tri tjedna nakon eksplozije. Dugotrajna i pažljiva analiza potvrdila je pretpostavku da dodatni litij u populaciji mladih zvijeda potječe iz eksplozija nova. Naime, trenutna procjena broja eksplozija nova u galaksiji i izmjerena količina litija-7 u ostacima nove V1369 u potpunosti objašnjava višak litija u mladim zvijezdama odnosno baca novo svjetlo na staro ptanje: gdje se sakrio litij koji je bio nastao u velikom prasku.