ปริมาณธาตุแสงดั้งเดิม

สัดส่วนของไฮโดรเจน ฮีเลียม และธาตุแสงปริมาณน้อยที่หลงเหลือจากการระเบิดครั้งใหญ่ (Big Bang) ซึ่งวัดได้ในสภาพแวดล้อมของจักรวาลที่บริสุทธิ์ เป็นการทดสอบที่ละเอียดอ่อนของฟิสิกส์ในยุคแรกเริ่มของจักรวาล

Definition

ปริมาณธาตุแสงดั้งเดิมคือปริมาณสัมพัทธ์ของนิวเคลียสที่เบาที่สุดที่ผลิตโดยการสังเคราะห์นิวเคลียสจากการระเบิดครั้งใหญ่ (Big Bang nucleosynthesis) ซึ่งแสดงเป็นอัตราส่วนต่อไฮโดรเจนหรือเป็นเศษส่วนมวล ดังที่ปรากฏอยู่ก่อนที่จะถูกปรับเปลี่ยนโดยการสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์ในภายหลัง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงปริมาณดั้งเดิมที่วัดได้ของดิวเทอเรียม ฮีเลียม-3 ฮีเลียม-4 และลิเทียม-7 สภาพแวดล้อมทางดาราศาสตร์ที่ใช้ในการอนุมานปริมาณเหล่านี้ก่อนที่กระบวนการของดาวฤกษ์จะเปลี่ยนแปลงไป การเปรียบเทียบการวัดเหล่านี้กับการคาดการณ์การสังเคราะห์นิวเคลียส และความคลาดเคลื่อนของลิเทียมที่ยังคงมีอยู่

Core questions

• ปริมาณดั้งเดิมของธาตุแสงคืออะไร?
• ปริมาณเหล่านี้วัดได้อย่างไรโดยไม่มีการปนเปื้อนจากดาวฤกษ์?
• เหตุใดปริมาณลิเทียมจึงไม่สอดคล้องกับทฤษฎี?

Key concepts

• ปริมาณดิวเทอเรียม
• เศษส่วนมวลฮีเลียม-4
• ฮีเลียม-3
• ลิเทียม-7
• สภาพแวดล้อมที่มีโลหะน้อย
• บาริออมิเตอร์
• ปัญหาลิเทียม

Key theories

ดิวเทอเรียมในฐานะบาริออมิเตอร์

ดิวเทอเรียมถูกทำลายเท่านั้น ไม่เคยถูกผลิตขึ้นหลังจากการระเบิดครั้งใหญ่ และปริมาณดั้งเดิมของมันมีความไวสูงต่อความหนาแน่นของแบริออน ทำให้การวัดในก๊าซบริสุทธิ์เป็นเครื่องมือที่แม่นยำในการสำรวจปริมาณแบริออนในจักรวาล

เศษส่วนมวลฮีเลียม-4

ประมาณหนึ่งในสี่ของมวลแบริออนปรากฏเป็นฮีเลียม-4 ซึ่งเป็นการคาดการณ์ที่แข็งแกร่งซึ่งขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของแบริออนเพียงเล็กน้อย แต่มีความไวต่ออัตราการขยายตัวและอายุของนิวตรอน ซึ่งวัดได้ในก๊าซนอกกาแล็กซีที่มีโลหะน้อย

Mechanisms

นักดาราศาสตร์วัดดิวเทอเรียมจากเส้นการดูดกลืนแสงของเมฆก๊าซบริสุทธิ์ตามแนวสายตาของเควซาร์ ฮีเลียม-4 จากการปล่อยแสงของกาแล็กซีแคระที่มีโลหะน้อย และลิเทียมในชั้นบรรยากาศของดาวฤกษ์ฮาโลเก่า โดยการประมาณค่าไปยังความเป็นโลหะเป็นศูนย์เพื่อกู้คืนค่าที่กำหนดโดยการสังเคราะห์นิวเคลียสจากการระเบิดครั้งใหญ่

Clinical relevance

ความสอดคล้องกันของปริมาณดิวเทอเรียมและฮีเลียมที่วัดได้กับทฤษฎีในหลายลำดับขนาด ยืนยันการระเบิดครั้งใหญ่ที่ร้อนแรงและกำหนดความหนาแน่นของแบริออนในจักรวาลโดยไม่ขึ้นกับพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล ในขณะที่ความคลาดเคลื่อนของลิเทียมที่ยังคงมีอยู่ทำหน้าที่เป็นช่องทางที่เป็นไปได้สู่ฟิสิกส์ใหม่

History

การวัดฮีเลียมในช่วงต้นทศวรรษ 1970 สนับสนุนทฤษฎีการระเบิดครั้งใหญ่ และสเปกโทรสโกปีเควซาร์ความละเอียดสูงตั้งแต่ทศวรรษ 1990 เป็นต้นมาได้ให้ปริมาณดิวเทอเรียมที่แม่นยำ; เมื่อการวัดมีความคมชัดขึ้น ปริมาณลิเทียม-7 ก็ปรากฏเป็นความคลาดเคลื่อนที่แก้ไขยาก แม้ว่าจะมีความสอดคล้องที่ดีเยี่ยมในด้านอื่น ๆ

Debates

ปัญหาลิเทียม

ลิเทียม-7 ที่วัดได้ในดาวฤกษ์เก่ามีปริมาณต่ำกว่าที่คาดการณ์ไว้จากการสังเคราะห์นิวเคลียสจากการระเบิดครั้งใหญ่โดยใช้ความหนาแน่นของแบริออนจากพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลหลายเท่า โดยมีคำอธิบายที่เสนอตั้งแต่การพร่องของดาวฤกษ์ไปจนถึงอัตรานิวเคลียร์ที่ไม่แน่นอน ไปจนถึงฟิสิกส์ที่นอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐาน ซึ่งยังไม่มีข้อสรุปที่ชัดเจน

Key figures

• Gary Steigman
• Keith Olive
• Brian Fields
• David Tytler

Seminal works

• cyburt2016

Frequently asked questions

เหตุใดจึงต้องวัดปริมาณในสภาพแวดล้อมที่มีโลหะน้อย?

ดาวฤกษ์ผลิตและทำลายธาตุแสงตลอดช่วงเวลาของจักรวาล ดังนั้นเพื่อกู้คืนค่าดั้งเดิม นักดาราศาสตร์จึงมองหาก๊าซและดาวฤกษ์ที่บริสุทธิ์ทางเคมีมากที่สุดและมีโลหะน้อยที่สุด ซึ่งการปนเปื้อนจากกระบวนการของดาวฤกษ์ในภายหลังมีน้อยที่สุด

ปัญหาลิเทียมคืออะไร?

คือความไม่ตรงกันระหว่างปริมาณลิเทียม-7 ที่คาดการณ์โดยการสังเคราะห์นิวเคลียสจากการระเบิดครั้งใหญ่โดยใช้ความหนาแน่นของแบริออนจากพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล กับปริมาณที่ต่ำกว่าที่สังเกตได้จริงในดาวฤกษ์โบราณ ซึ่งเป็นความคลาดเคลื่อนที่ยังไม่สามารถอธิบายได้