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2024-04-10 20:43:15
探検する
私電気自動車、電話、ロボット掃除機など、あらゆる充電式バッテリーの内部には宇宙の謎が潜んでいます。 昨今、私たちが生活の大半で電力を供給するために使用しているリチウムは、あまりにもありふれているため、ほとんどありきたりなものに思えます。 しかし、この元素はワイルドカードであり、宇宙自体の形成に関する私たちの最も基本的な理解を挑戦してきた反逆者であることが判明しました。
リチウムイオン電池を超えて、ガラスやセラミックの製造、光学システム、空気浄化、花火やロケット推進剤、核兵器、気分安定剤などを超えて、リチウムは宇宙に投げ込まれています。 しかし、そこには本来あるべきほど多くのものが存在しません。 そしてその理由はわかりません。
この狡猾な小さな要素は、何世代にもわたって説明を無視し、残りの宇宙論的正統性に従うことを拒否してきました。 堅牢なビッグバン理論などの成果により、宇宙全体のすべての軽元素の存在量を正確に予測できるようになりました。
リチウムを除く。
つまり、ビッグバンに関する私たちの理解に何か間違いがある可能性があります。 私たちの測定には何か間違いがあるかもしれません。 両方とも何か問題があるのかもしれません。 あるいは、これは初期の宇宙でまだ発見されていない新しい力が働いていることを示す信号かもしれません。 解決策が何であれ、この反乱とそのいわゆる「宇宙論的リチウム問題」は、宇宙についての根本的な新しい事実を私たちに教えてくれます。
それを理解する必要があります。
ここ地球では、リチウムは惑星の形成以来足元に存在しており、その元素が存在することさえ誰も疑っていませんでした。 ギリシャ語の「岩」に由来するリチウムは、地球上では通常、より大きな鉱物塊の中に微量しか存在しません。 1800年、ブラジルの化学者ホセ・ボニファシオ・デ・アンドラダ・エ・シルバがスウェーデンのウト島で新しい鉱石として発見しました。 17 年後、化学者のヨンス ヤコブ ベルゼリウスは、鉱石内の新しい元素を単離しました。 それ以来、銀白色の金属は、私たちの現代の贅沢品の多くを可能にすることに気づきました。
しかし、宇宙のリチウムの大部分は星の内部に結合されています。
宇宙には本来存在すべきほどの量のリチウムは存在しません。 そしてその理由はわかりません。
家電製品に含まれるリチウムを含む、宇宙の全リチウムの約 25 パーセントは、ビッグバンの最初の数分間に発生しました。
ビッグバン理論は、137 億 7 千万年前、現在直径 900 億光年を超える体積の中にすべての星とすべての銀河を含む観測可能な宇宙全体が桃ほどの大きさに圧縮されていたことを示しています。
ビッグバンが起こるほんの一瞬、温度が非常に高かったため、すべての陽子と中性子は、クォークとして知られる小さな粒子であるその構成成分に溶け合ったばかりでした。 クォークが集まって陽子を作るときは常に、激しい衝突や高エネルギー放射線によって砕け散ります。 しかし、宇宙が膨張するにつれて寒冷化しました。 ビッグバン開始から約 3 分後の特定の時点で、そのエキゾチックなプラズマは約 10 億ケルビンまで冷却されました。まだ非常に高温ですが、安定した陽子と中性子の生成を可能にするのに十分な温度になっています。
これらの核反応は継続し、新しく形成された陽子と中性子自体が結合し、周期表で最も軽い 4 つの元素、水素、ヘリウム、リチウム、ベリリウムを作成しました。 しかし、このダンスが約 10 ～ 20 分続くと、膨張する宇宙は寒くなりすぎてさらなる反応を維持できなくなり、これらの要素が所定の位置に固定されてしまいました。
宇宙で新しい元素が再び形成されるには、数億年後の最初の星の形成までかかります。
ビッグバン理論の最大の成果の 1 つは、これらの軽い元素の存在量を予測できることです。 1940 年代に物理学者のラルフ アルファーによって、当時は新しい核物理学の知識を使って最初に計算されたこの研究は、彼が共著した有名な論文で完全に具体化されました。
総称してビッグバン元素合成として知られるこれらの計算は、ビッグバン理論の最も強力な予測の 1 つを提供します。天文学者によってテストされた、最初の激しい数分間にどれだけの軽元素が作られたかについての正確な即時推定です。宇宙で最も古い星、銀河、星雲の研究を通じて。
リチウムを除く。
これらの元素合成の計算は、古い星で観察された量の約 3 倍のリチウムを予測します (宇宙の初期状態を表す最良の代用物です)。 逆に、元素の逆説的な性質に従って、生まれたばかりの星は、 もっと 予想以上にリチウム。
そして、これらすべては宇宙のリチウムの最初の 4 分の 1 にすぎません。 宇宙学者たちは現在、残りの75パーセントは古典新星として知られる特定の種類の爆発する星から来たのではないかと考えている。 古典的な新星では、白色矮星 (太陽に似た星の残骸の核) が軌道を周回する伴星を持っています。 白色矮星の重力により伴星から水素ガスが吸い出され、白色矮星の周りに大気が形成されます。 しかし、密度が臨界点に達すると、水素は自発的に暴走核融合反応を起こし、大気を爆破します（そして時折、「新しい」星、新星として空に現れます）。 リチウムは 3 つの陽子といくつかの中性子で構成されているため、新星爆発中の水素の融合によって容易に大量のリチウムが生成されます。
宇宙の全リチウムの約 25 パーセントは、ビッグバンの最初の数分間に生じました。
しかし、リチウムは軽元素の中で結合エネルギーが最も低く、再び分解するのに必要なエネルギーが最も少ないため、非常に不安定でもあります。 したがって、新星爆発中に生成されるリチウムのほとんどは蒸発して水素とヘリウムになります。 残ったものは宇宙線の被害にさらされ、その核心を突き破って不安定にし、同じように蒸発させる可能性があります…あるいは、宇宙線がより重い原子に衝突したときに自然発生的に生成される可能性があります。
混乱した？ あなたは一人じゃない。 天文学者たちは、どのプロセスが最も重要な役割を果たしているのか、そしてこの天体物理学的混合とマッシュ化の後にリチウムの最終的な量はどうなるのかを理解することができません。 これらすべてが意味するのは、ビッグバンの火災で生成されたリチウムと、今日私たちが宇宙に散らばっているのを目にするリチウムとの間には、あいまいな関係しかないということだ。
このような謎が何十年にもわたって続くとき、科学者はそれを宇宙が何か重要なことを伝えてくれているサインだと受け止めます。 その重要なことの性質については議論の余地がある。 そして、物理学の議論ではよくあることですが、理論家は観察者を非難し、観察者は理論家を非難します。
リチウムの奇妙さについて考えられる可能性の 1 つは、核物理学、特にビッグバンの最初の数分間に作用する激しい物理学に対する私たちの理論的理解が水準に達していないということです。
これを調和させるのは難しい。なぜなら、私たちが原子力発電所と核兵器を熟知していることを考えると、私たちはこれらの相互作用をかなりうまく処理しているように見えるからである。 しかし、いくつかの興味深い開口部があります。 たとえば、非常にまれな反応連鎖は、他の元素のバランスを崩すことなく、余分なリチウムの生成に寄与する可能性があります。 あるいは、共鳴が何らかの役割を果たしている可能性があります。 これらは、圧力、温度、相互作用量の特別な組み合わせであり、平均を超える元素の生成につながります。 私たちは、ビッグバン物理学におけるこれらの共鳴の重要性を過小評価してきたかもしれません。それは単に、それらが地球上の実験では頻繁に現れないからです。
その一方で、私たちの観察は私たちを誤った方向に導いている可能性があります。 リチウムは壊れやすい元素であるため、他のプロセスに触れたり汚染されたりしていない原始個体群を把握するのは困難です。 私たちにできる最善のことは、銀河内に現存する最古の星を探し出し、その表面にあるリチウムの量を測定することです。 これらの古い星は「純粋」である可能性が最も高く、後の恒星核融合プロセスではなく、ビッグバンで製造された原始的な量のリチウムを反映しています。 これらの測定は単純ではなく、星の温度と他の元素の存在量がわかっていないとリチウムの量を推測できないため、かなりの量の校正と微調整が必要です。 これらの校正が外れると、私たちのリチウムの推定値も外れてしまい、それらの星が最初に形成されたときにどれだけの量のリチウムが宇宙に飛び回っていたかについて、大まかで洗練されていない図しか得られません。
物理学の議論ではよくあることですが、理論家は観察者を非難し、観察者は理論家を非難します。
そして、星の表面はリチウムを探すのに最適な場所ではない可能性さえあることが判明した。 すべての星の膨大な量は、2 つの最も軽い元素、水素とヘリウムでできています。 リチウムは両方よりも重いため、各星の内部の奥深くに潜り込み、私たちの視界から姿を隠している可能性があります。 深く沈みすぎると、高温と圧力により解離し、さらに多くの水素とヘリウムに変換される可能性があります。
最もスリリングな可能性は、理論家と観測者の両方が正しいが、初期宇宙における新しい物理学の興味深い部分を完全に見逃しているということです。 おそらく、宇宙の物質の大部分を構成しているように見える常に存在する謎の粒子である暗黒物質は、自然に他の粒子に崩壊する可能性があり、元素合成の核連鎖反応が台無しになり、リチウムの存在量が変化します。 一部の物理学者は、光の速度や電子の電荷などの自然界の基本定数は、はるか遠い過去には異なっていた可能性があり、それが私たちの計算の多くを狂わせることになるとさえ提案しています。
ほとんどの天文学者は、その答えは恒星大気中のリチウムの破壊のような漠然とした方向にある可能性が高いと考えていますが、その解決策はまだ確認されていません。 私たちは星を割って内部で何が起こっているのかを見ることはできないので、仮説を直接検証することはできません。
いくつかの謎は、これまでの常識を大きく変えることになります。 静かに解決する人もいます。 しかし、何があろうとも、私たちが彼らに心を開いていれば、反逆者たちも最高の教師になれるのです。 それらは私たちに現状を再考し、視点を再調整することを強います。 彼らは次のように行動します エージェント挑発者 それは私たちを自己満足から守り、常に気を引き締めてくれるのです。 リチウムはそれをすべて行っています。 完璧な科学理論は存在せず、ビッグバンも例外ではありません。 私たちが宇宙についての知識を深め、広げる機会があるのは、隅々、端、灰色の領域を通してだけです。
ビッグバン理論は、今日でも物理宇宙論の支配的なパラダイムとして残っています。 それは宇宙が膨張している理由を説明することができます。 それは古代遺物の放射線の存在を説明することができます。 そして、それは宇宙全体の物質の組成と配置を説明することができます。
リチウムを除く。 
リード画像: Juan Roballo / Shutterstock
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#宇宙に失われたリチウムがビッグバンとビッグスターに関するアイデアに疑問を投げかける