El litio-7 en el medio interestelar como solución del problema del litio primordial

Estimación de la abundancia de litio-7 en el gas del medio interestelar de la Pequeña Galaxia de Magallanes (SMC), círculo rojo. Las zonas rayadas en azul y morado muestran la abundancia observada en las estrellas del halo y disco galáctico de la Vía Láctea (motivo del problema del litio primordial).

Los elementos más ligeros del universo se formaron durante el Big Bang en la nucleosíntesis primordial. El cociente entre el número de bariones y el de fotones, determinado gracias al análisis del fondo cósmico de microondas, permite estimar la abundancia de hidrógeno (H), deuterio (H-2), tritio (H-3), helio-3, helio-4, litio-6 y litio-7. Las medidas experimentales de la cantidad de litio-7 en la atmósfera de las estrellas del halo galáctico indica que la abundancia de litio-7 en el universo es entre 2 y 4 veces menor que el valor estimado por la teoría. Un nuevo artículo ofrece una solución muy sencilla a este problema, el litio-7 está en el medio interestelar de baja metalicidad. Los autores han estudiado la Pequeña Nube de Magallanes (NGC 292 o SMC) y han observado que la cantidad de litio-7 en el gas del medio interestelar coincide con la cantidad que falta en la atmósfera de sus estrellas, resultando un valor total que coincide con la teoría. Una solución sencilla a un problema muy difícil para el que se han ofrecido respuestas muy exóticas. Por supuesto, la estimación de la abundancia relativa de Li/H en el medio interestelar no es fácil y la incertidumbre de las medidas es muy grande. Habrá que esperar a verificaciones independientes para estar seguro de que se ha logrado la tan ansiada respuesta, pero el trabajo tiene muy buena pinta. El artículo técnico es J. Christopher Howk, Nicolas Lehner, Brian D. Fields, Grant J. Mathews, “The detection of interstellar lithium in a low-metallicity galaxy,” arXiv:1207.3081, Subm. 12 Jul 2012.

Esta entrada fue publicada el 11 de agosto y he cambiado la fecha porque ya se ha publicado el artículo de Howk et al. en Nature.

PS (5 sep. 2012): El artículo ya se ha publicado: J. Christopher Howk et al., “Observation of interstellar lithium in the low-metallicity Small Magellanic Cloud,” Nature 489: 121–123, 06 September 2012. Recomiendo leer también a Garik Israelian, “Cosmology: The lithium problem. The theory that predicts how the lightest elements formed after the Big Bang has hitherto failed to explain the amount of cosmic lithium. The detection of interstellar lithium beyond the Milky Way gives this theory a boost,” Nature 489: 37–38, 06 September 2012.

Obviamente, que Howk y sus colegas hayan encontrado el litio-7 predicho por la teoría de la Big Bang en una galaxia satélite de la Vía Láctea no es la solución definitiva al problema del litio primordial, pues aún hay que confirmar dicho resultado en otros lugares del universo y encontrar una explicación razonable a por qué falta litio en el halo galáctico de nuestra galaxia (que presenta solo un 25% del predicho).

Hay una diferencia entre la nueva medida y la realizada en el halo galáctico; la nueva ha buscado el litio en regiones de gas interestelar pobres en metales, mientras que la medida deficiente en litio se basa en la atmósfera de estrellas viejas que se encuentran en el halo galáctico y son ricas en metales. Quizás hay algún mecanismo estelar que es responsable de esta deficiencia (por ejemplo, la presencia de exoplanetas o estrellas compañeras). En ciencia, cada nueva respuesta va acompañada de muchas nuevas preguntas.

Los núcleos ligeros (hidrógeno, helio y litio) se crearon cuando el universo tenía entre 2 y 5 minutos de edad, cuando el plasma primordial se enfrió lo suficiente como para que los protones y los neutrones se unieran formando núcleos estables. La abundancia de litio es miles de millones de veces menor que la del hidrógeno y helio, porque el litio se consume más fácilmente en las estrellas y su entorno. La atmósfera exterior de las estrellas más viejas y frías de nuestra galaxia muestran entre 2 y 5 veces menos litio del predicho por la teoría; a principios de los 1980, los astrónomos descubrieron que las estrellas parecidas al Sol (pobres en metales) más viejas de nuestra galaxia tienen todas una cantidad de litio atmosférico muy similar (independientemente de su temperatura y contenido en metales), por lo que pensaron que era una huella de litio primordial.

Las observaciones del fondo cósmico de microondas (obtenidas por el satélite WMAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) permiten calcular el cociente entre el número de bariones (protones y neutrones) y fotones del universo, ofreciendo un valor unas cuatro veces mayor que el observado en las estrellas pobres en metales del halo galáctico. O la teoría de la nucleosíntesis primordial es errónea, o hay procesos por los que se destruye litio en las estrellas viejas. El nuevo trabajo de Howk y sus colegas apoya la segunda posibilidad (ellos han medido el litio en el gas interestelar pobre en metales). Sin embargo, en la actualidad no conocemos ningún proceso físico que explique el consumo de litio y que sea (casi) independiente de la temperatura de la estrella.

Como nos comenta Camille Carlisle, “Universe is Still Missing its Lithium,” Sky & Telescope, 5 sept. 2012, aún no podemos soñar con una solución para el problema del litio, ya que el litio en el gas interestelar no puede decrecer (no conocemos ningún mecanismo que lo permita), por lo que si su valor coincide con la predicción de la nucleosíntesis primordial debe ser porque inicialmente empezó con un valor inferior al predicho. El artículo de Howk y sus colegas también ha medido el nivel de litio-6, encontrando un valor unas mil veces mayor que el de litio-7. Este valor no se puede explicar con la teoría de la nucleosíntesis primordial, lo que sugiere que hay algún mecanismo que aún no conocemos que hace crecer el nivel de litio en el gas interestelar. Los próximos años prometen ser apasionantes en este tema.


7 Comentarios

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ArtemioArtemio

Hola, Francis. Resulta curioso que Fred Hoyle, que no creyó en el modelo big bang del universo, se vio obligado a explicar la nucleosíntesis del carbono en el interior estelar para defender su modelo cósmico, el estacionario. Su explicación, brillante y sencilla al mismo tiempo, describía cómo se efectuaba el salto desde el berilio-8 al carbono-12. El nivel de energía del carbono predicho por Hoyle fue verificado experimentalmente por W. Fowler y colaboradores. Sin embargo, a Fred Hoyle no se le incluyó en el premio Nobel de física de 1983, que sí recibieron William Fowler y Subrahmanyan Chandrasekhar. El trabajo que mencionas en la entrada tiene el sello teórico del científico británico, el cual pensaba que el universo no tenía principio ni fin.

ManoloManolo

No entiendo demasiado bien el problema de la ausencia de Li-7

A ver. La reacción Li-7+p -> 2He4 puede estar relativamente favorecida si contamos con protones acelerados (explosión de supernova, rayos cósmicos acelerados por campos magnéticos, incluso núcleos estelares calientes…) Sin embargo, no hay caminos sencillos para producir Li-7 en el interior de las estrellas. Por tanto, es de suponer que el Li-7 creado en el Big Bang se esté “desgastando” lentamente en un universo donde abundan los protones. Lo raro sería lo contrario ¿no?

emulenewsemulenews

Manolo, ahí está el problema. Si miras en las estrellas viejas hay menos litio del que esperas (luego debe haber un proceso desconocido que lo consume más de lo esperado) y si miras en el gas interestelar hay tanto litio como si no se hubiera consumido ninguno (como se tiene que haber gastado, debe haber un proceso desconocido que produce lo necesario para compensarlo). Como resultado, lo mires como lo mires, el problema es todo un problema que demuestra que sabemos poco sobre la astrofísica y la cosmología del litio-7.

ArtemioArtemio

“Los núcleos ligeros (hidrógeno, helio y litio) se crearon cuando el universo tenía entre 2 y 5 minutos de edad, cuando el plasma primordial se enfrió lo suficiente como para que los protones y los neutrones se unieran formando núcleos estables. La abundancia de litio es miles de millones de veces menor que la del hidrógeno y helio, porque el litio se consume más fácilmente en las estrellas y su entorno. La atmósfera exterior de las estrellas más viejas y frías de nuestra galaxia muestran entre 2 y 5 veces menos litio del predicho por la teoría”

Francis, me llama la atención que los números 2 y 5 se repiten dos veces. Si el litio primordial se formó cuando el universo tenía entre 2 y 5 minutos de edad ¿qué relación tiene este dato con que en la atmósfera exterior de las estrellas más viejas y frías haya entre 2 y 5 veces menos litio del predicho por la teoría? Y la otra pregunta, ¿está demostrado con total certeza que el litio primordial se formó en los cinco primeros minutos del universo?

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