У лития в астрофизике странная роль: это самый тяжёлый элемент, который успел собраться в первые минуты после Большого взрыва, и единственный, за которым следят сразу две науки с противоположных концов — ядерная физика первых трёх минут и физика звёздных недр. В научно-популярном тексте про состав Солнечной системы мне попалась фраза, брошенная как декорация: Солнце «беднее литием, чем положено по возрасту». Обычное дело, звезда переработала. Но у этой фразы есть космологический хвост, который тянется уже сорок лет и называется литиевой проблемой: стандартная модель Большого взрыва заказывает примерно втрое больше лития, чем мы находим в самых старых звёздах Галактики.
Хуже того, все соседние предсказания той же модели — на гелий и дейтерий — сходятся с наблюдениями почти идеально. То есть ошибка не в модели. Проблема локальная, аккуратная и очень упрямая: одна цифра не сходится, и трогать её приходится очень осторожно, потому что рядом лежат те, что сходятся.
Начнём с того, на чём всё держится. У Стандартной модели Большого взрыва (по-английски Big Bang nucleosynthesis, BBN) ровно один свободный параметр — отношение числа барионов к числу фотонов. Это отношение сегодня измеряют не по звёздам, а по микроволновому фону — по карте реликтового излучения, снятой Planck и WMAP. Плотность барионов оттуда известна с точностью долей процента, и её подставляют в ядерные уравнения первых минут. Получается предсказание без подгонки: сколько водорода, сколько гелия-4, сколько дейтерия и сколько лития-7 должна была выпечь Вселенная.
Проверка на трёх из четырёх элементов блестящая. Дейтерий, самый хрупкий из них, сходится с наблюдениями в пределах ошибок. Гелий — совсем хорошо: свежий обзор по эмиссионным линиям дал Y_p = 0.2458 ± 0.0013, то есть впервые ошибка наблюдения сократилась вдвое и сравнялась с теоретической систематикой.
А вот литий-7 из тех же уравнений получается около A(Li) ≈ 2.7 — в логарифмической шкале, где водород принят за 12. В самых старых звёздах Галактики его находят примерно на 0.4–0.5 dex меньше.
Это фактор 2.5–3.
Показательна и судьба попыток списать это на ядерную физику. Прошлой весной вышел подробный «атлас чувствительности» BBN: авторы прогнали свою расчетную схему по 77 параметрам — 14 фундаментальных констант и космологических величин плюс 63 термоядерные реакции, — и для каждого посмотрели, как он отзывается на выходе. Вывод безжалостный: чтобы ядерными скоростями сдвинуть литий-7 на нужную величину, требуется несколько совместных подвижек в ключевых реакциях, а такие подвижки запрещены существующими экспериментами. В пределах одной сигмы ядерного решения у литиевой проблемы нет. Хорошая новость оттуда же: с гелием всё в порядке, а дейтерий можно подтянуть скромными и физически правдоподобными сдвигами скоростей.
Теперь про то, где литий вообще меряют. Есть класс звёзд, на которые смотрят все: тёплые карлики гало Галактики — старые, маломассивные, медленно эволюционирующие. Именно в них в 1982 году Моник и Франсуа Спит нашли удивительную вещь: содержание лития почти не зависит ни от температуры звезды, ни от её металличности. Сплошная горизонтальная линия, за что её и назвали плато Спит.
Плато — это не просто красивая регулярность. Оно означает, что у всех этих звёзд лития осталось ровно столько, сколько было в облаке, из которого они собрались. Спит предположили, что это и есть первичное содержание, унаследованное от Большого взрыва. А поскольку в самой звезде литий не выживает — он горит при температуре выше двух с половиной миллионов кельвинов, — поверхностное содержание может сохраниться только в том случае, если перемешивание не затаскивает вещество в горячие недра. У тёплых маломассивных карликов конвективная зона мелкая, вот литий и уцелел.
Насколько ровное это плато, видно по цифрам. По одной из аккуратных работ середины двухтысячных — 41 звезда в диапазоне 6000–6800 кельвинов, разброс всего 0.06 dex. Двадцать лет спустя, по обновлённому отбору, среднее A(Li) = 2.322 ± 0.013 при разбросе 0.078 dex. Это одна из самых чистых корреляций во всей звёздной спектроскопии, и именно поэтому её так тяжело объяснить погрешностями: слишком уж ровно.
Но ровно, а не там, где надо. До 2003 года наблюдаемое значение считали почти совпадающим с теорией, а потом выяснилось, что для объяснения соотношения дейтерия плотность барионов нужна выше — и литиевое предсказание тут же подскочило на пол-декады, оторвавшись от плато. Сходившиеся числа разъехались от одного уточнения в совсем другом измерении.
Почему литий так неуступчив — понятно из ядерной цепочки. Первые три минуты Вселенной шли по лестнице, где каждая ступенька — это слияние с протоном или нейтроном, и на массе 5 лестница упирается в пропасть: стабильного ядра с пятью частицами не существует. Литий-7 синтезировался в обход — сначала набирался бериллий-7, а затем, уже позже, отбирал электрон и превращался в литий-7. И это принципиально, потому что судьба пары «литий-7 + бериллий-7» зависит от того, сколько вокруг было свободных нейтронов и как долго длилась эпоха, когда они ещё были.
Отсюда соблазн: а что, если подкрутить саму историю расширения так, чтобы лития родилось меньше? Именно на это работают почти все экзотические сценарии, и в этом году один из них стал заметно конкретнее.
Группа из Кореи и Японии предложила двухступенчатый вариант с двумя нестабильными частицами. Сначала распадается майорон — гипотетическая частица со временем жизни от десяти секунд до десяти тысяч секунд — преимущественно в нейтрино. Это притормаживает превращение нейтронов в протоны и смещает баланс так, что лития и бериллия образуется меньше. Загвоздка в том, что одновременно с этим дейтерия становится больше, чем разрешено наблюдениями. Тогда в игру вступает вторая частица, аксион-подобная, с временем жизни от ста тысяч секунд, распадающаяся в фотоны: её свет позднее фотодиссоциирует лишний дейтерий, не уничтожая уже сделанную работу по литию.
Схема изящная, и авторы честно называют её доказательством концепции, а не ответом: она подобрана под задачу. Но она показывает, какой именно формы должен быть ответ. Литий нельзя убирать в одиночку — придётся двигать сразу несколько элементов в согласованной связке, потому что дейтерий стоит рядом и сдвигается от любого вмешательства. Свободного хода в этой системе просто нет: это вилка, где любая попытка тронуть один элемент отзывается на другом.
Есть и другой жанр решений — радикальная космология. Прошлой осенью в A&A вышла записка, где литиевое расхождение пытаются погасить, отказавшись от принципа, на котором стоит вся BBN-физика: предполагается, что в ту эпоху тепловая энергия вещества и излучения масштабировались по-разному. Формально всё сходится.
Но расплата сразу видна в цифрах: плотность барионов в таком варианте должна быть 10–38 процентов против принятых в ΛCDM 4.9 процента. То есть цена — прямое противоречие с реликтовым фоном, тем самым, откуда и берётся плотность. Лекарство убивает пациента вернее болезни.
Долгое время литиевая проблема казалась не только вертикальной (уровень плато ниже предсказания), но и горизонтальной. Отдельные звёзды с самой низкой металличностью — беднее чем одна тысячная солнечной — выпадали из плато: их литий оседал ниже общего уровня, а у светила SDSS J102915+172927 при металличности минус 4.9 наблюдалось и вовсе экстремальное истощение при совершенно ординарном наборе остальных элементов. Это назвали мелтдауном плато — его распадом на бедном конце.
Потом выяснилось, что у этой аномалии, похоже, есть скучное объяснение. Звёзды сверхнизкой металличности часто оказываются углеродными: их атмосфера обогащена углеродом от компаньона, и чем меньше в такой звезде лития, тем больше в ней углерода. То есть литий они растеряли не как первозданные свидетели, а как потомки звёзд с бурным прошлым — к исходному содержанию в молодой Галактике они отношения не имеют. Стоит исключить углеродные звёзды из выборки, и плато внизу тянется дальше, без загиба.
Подтверждение пришло в июне: однородный анализ сотни с тремя звёздами сверхнизкой металличности по данным LAMOST и Subaru (в этой работе заново, в нелокальном термодинамическом равновесии, пересчитали содержания двенадцати элементов) увидел у плато слабый положительный наклон вместо загиба. Если он реален, вопрос о распаде плато снимается — но заодно и вопрос о том, что это чистое первозданное содержание: наклон означает, что Галактика успела добавить немного лития от себя.
Заодно избавились и от второй литиевой проблемы, о которой вспоминают реже. Речь про изотоп литий-6: его первичное содержание должно быть мизерным — порядка двух десятитысячных процента от лития-7, — а наблюдения долго находили его намного больше, что и порождало отдельный сюжет про экзотические источники. Оказалось, искомого изотопа в старых звёздах нет вовсе. На инфракрасном спектрографе ESPRESSO высокого разрешения искали литий-6 и не нашли ни в одной из наблюдавшихся звёзд; то, что раньше принимали за его след, даёт конвективная асимметрия линии — граница между моделированием и артефактом.
Если ядерная физика не виновата и первые минуты не при чём, остаётся второй конец: звёзды сами съедают литий. Это направление сегодня считается основным, и в феврале вышел большой обзор, собирающий картину воедино.
Оттуда следует важный отрицательный результат. Всего несколько лет назад популярной была версия, что литий в галактическом гало уничтожили самые первые, массивные звёзды, вычистив межзвёздную среду до того, как сформировались наблюдаемые карлики. Но у плато обнаружилась универсальность, которая эту версию убивает: тот же уровень лития нашли и в Омега Центавра — сорванном ядре поглощённой карликовой галактики, и в обломках Гая-Змееносца, столкнувшегося с Млечным Путём около десяти миллиардов лет назад, и в отдельном звёздном потоке S2. Разные галактики с разной историей звездообразования показывают одно и то же значение. Никакой локальный пожиратель среды такой универсальности не даст — а заодно подобный сценарий наделал бы избыток углерода, азота и кислорода, которого в звёздах гало не наблюдается.
Значит, механизм должен быть внутренним и работать в каждой звезде одинаково. И вот здесь начинается область, где всё держится на вращении. Литий в звёздной атмосфере не сам забирается в горячую зону — его туда медленно утаскивает перемешивание, а перемешивание берётся из того, как звезда теряет вращение через магнитный ветер. Чем сильнее заторможены внешние слои, тем круче градиент скорости вращения между ядром и поверхностью, тем сильнее циркуляция и турбулентность, тем глубже литий пропадает.
Отсюда знаменитый литиевый провал — узкая щель в распределении по температурам вокруг 6700 кельвинов, где лития особенно мало. И здесь же литература противоречит сама себе в деталях: одни версии моделей хорошо воспроизводят горячий край этого провала и перебирают с деплецией на холодном, другие — ровно наоборот.
Аккуратный обход этой развилки — искусственное перемешивание, подобранное так, чтобы оно гасило оседание лития, — предсказывает потерю примерно от 0.2 до 0.5 dex от исходного содержания. Сдвиг как раз нужного масштаба. Но параметры этого перемешивания не выводятся из первых принцимов, а подгоняются, и за это теория платит бытовой ценой: любые подобранные модели требуют, чтобы у звёзд было много перемешивания, а это, в свою очередь, должно бы разгонять вращение недр. Гелиосейсмология же показывает, что недра Солнца вращаются почти как единое тело, без ожидаемого разгона ядра. Подгонка под литий идёт вразрез с данными, которых у лития нет.
Остаётся последняя проверка, которую можно было бы поставить, — и вот с ней не срастается. Если звёзды действительно разрушают литий, должен быть виден обратный эффект: где литий пропал, оттуда его должно быть больше в межзвёздной среде. Точного измерения этой среды нет, и в докладе на конференции прошлого года прозвучала честная оговорка: звёздная деплеция — вероятный ответ, но если текущие оценки содержания лития в межзвёздном газе выстоят, они снова эту версию исключат. Круг замкнулся на одном элементе, аккурат по границе измеримого.
Сорок лет литиевая проблема выглядит как задача, у которой нет решения, потому что каждое решение уже где-то занято. Ядерные скорости проверены экспериментом и не двигаются. Экзотическая физика требует подгонки под ответ и отзывается на дейтерии или на плотности барионов из реликтового фона. Звёздная деплеция работает численно, но держится на подгоночных параметрах и упирается в гелиосейсмологию. Самая вероятная позиция сегодня — звёзды, но подтвердить её нельзя, пока не появится надёжное, независимое измерение лития в межзвёздной среде, а такого измерения пока нет.
В этом и странность ситуации. У космологии есть несколько предсказаний, которые можно проверить прямо в лаборатории с точностью, недостижимой для большинства астрофизических выводов, — и одно из них не сходится с небом настолько упрямо, что вместо ответа накопился список кандидатов, каждый из которых заведомо неполон. Литий остаётся единственным местом, где самые первые минуты Вселенной и жизнь отдельной звезды никак не могут поделить одну строку.