國家天文臺等在宇宙大爆炸鋰豐度問題研究中獲進展

2020-12-19 中國科學院

　　2月15日，美國天文學會在其研究亮點官網AAS NOVA（Research highlights from the journals of the American Astronomical Society）上介紹了中國科學院國家天文臺研究員何建軍（原中國科學院近代物理研究所研究員，現為客座研究員）及其合作者關於宇宙大爆炸鋰豐度問題的研究成果。

　　該成果發表在國際天體物理期刊《天體物理學快報》上（Hou, S. Q., He, J. J., Parikh, A., Kahl, D., Bertulani, C. A., Kajino, T., Mathews, G. J., Zhao, G., ApJ, 2017, 834, 165： NON-EXTENSIVE STATISTICS TO THE COSMOLOGICAL LITHIUM PROBLEM）。這項研究受到國家自然科學基金和科技部國家重點研發計劃「大科學裝置前沿研究」重點專項的支持。

　　1946年，喬治·伽莫夫（G. Gamow）首次提出了宇宙大爆炸理論。目前，它已成為廣為人們接受的宇宙學標準模型。原初大爆炸核合成（Big-Bang Nucleosynthesis，簡稱BBN）始於宇宙大爆炸約3分鐘之後，隨著擴張著的宇宙溫度和密度的逐漸降低，核反應約一個小時後熄滅，該原初核合成過程結束。該原初BBN過程產生的大部分是氫（1H，約佔75%）和氦（4He，約佔25%），還有幾種少量的輕核素，即2H（通常稱之為氘D），3He和7Li，而其他的核素含量微乎其微。這些遺蹟為人們研究早期的宇宙提供了獨一無二的窗口。

　　 1967年，R. Wagoner，W.A. Fowler（1983年諾貝爾物理獎得主）和F. Hoyle三人首次計算了原初核合成過程。目前，利用標準BBN理論結合威爾金森微波各向異性探測器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，簡稱WMAP）精確的宇宙重子密度結果可以對原初輕核的豐度做出嚴格的預言。其中D和4He的天文觀測結果和理論預言符合得很好，但是，BBN+WMAP預言的原初7Li豐度要比觀測的大3~4倍。這種在4~5σ置信度區間的不匹配（或差異），被稱之為宇宙鋰問題。

　　當前，宇宙鋰問題仍然是核天體領域非常重要的一個疑難問題。在過去的十幾年裡，人們做了很多嘗試，但是傳統的核物理都未能在標準的大爆炸模型下解決該問題。近日，何建軍聯合國內外核物理和天體物理學家通過研究粒子速度分布的變化對核合成的影響，提出了一種解決宇宙鋰問題的新思路和方法。

　　核天體物理反應率是由能量依賴的核反應截面與經典的粒子麥克斯韋-玻爾茲曼速度分布（簡稱MB分布）的卷積計算得到的。可以看出經典粒子MB分布是核天體物理模型重要輸入量（核反應率）計算的基礎。眾所周知，粒子MB分布在上世紀50年代就被實驗所證實了，但是當時的實驗溫度都不超過1000 K。人們自然會產生一個疑問：在宇宙大爆炸如此高溫（約109 K），碰撞（包括核反應）如此頻繁的複雜環境下，經典粒子MB分布（基於理想氣體的概念）是否仍然成立呢？科研人員從該角度出發，利用非廣延統計代替經典的玻爾茲曼-吉布斯統計來描述原初等離子體的粒子分布，即用非廣延Tsallis分布來代替經典的麥克斯韋-玻爾茲曼（MB）分布來研究大爆炸核合成。Tsallis分布通過引入非廣延參數q來描述，當q趨近於1時, 該分布簡化為經典的MB分布。粒子分布的改變會引起反應率的變化，進而能夠對原初核合成產生影響。研究人員發現，當非廣延參數q的值在1.069≤q≤1.082範圍內，就可以成功解決宇宙鋰問題。當然，大爆炸原初核合成極高溫環境下粒子的實際速度分布規律還需要實驗的進一步驗證。

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