原初轻元素丰度

宇宙大爆炸遗留下来的氢、氦和微量轻元素的比例，在原始宇宙环境中测量，为早期宇宙物理学提供了敏感的检验。

Definition

原初轻元素丰度是指大爆炸核合成产生的最轻核素的相对含量，以相对于氢的比例或质量分数表示，它们是在被后来的恒星核合成改变之前的存在形式。

Scope

本主题涵盖了氘、氦-3、氦-4和锂-7的测量原初丰度，用于在恒星演化改变它们之前推断这些丰度的天文环境，这些测量与核合成预测的比较，以及悬而未决的锂丰度差异。

Core questions

• 轻元素的原始丰度是多少？
• 如何在不受恒星污染的情况下测量这些丰度？
• 为什么锂丰度与理论不符？

Key concepts

• 氘丰度
• 氦-4质量分数
• 氦-3
• 锂-7
• 贫金属环境
• 重子密度计
• 锂问题

Key theories

氘作为重子密度计

大爆炸后，氘只会被破坏，不会被产生，其原始丰度对重子密度高度敏感，使得在原始气体中的测量成为探测宇宙重子含量的精确探针。

氦-4质量分数

大约四分之一的重子质量以氦-4的形式出现，这是一个稳健的预测，对重子密度的依赖性较弱，但对膨胀率和中子寿命敏感，在贫金属河外气体中测量。

Mechanisms

天文学家通过类星体视线方向上原始气体云的吸收线测量氘，通过贫金属矮星系的发射测量氦-4，并通过古老晕星的大气层测量锂，然后外推至零金属丰度以恢复大爆炸核合成设定的值。

Clinical relevance

氘和氦丰度测量结果与理论在多个数量级上的吻合，独立于宇宙微波背景辐射，验证了热大爆炸模型并确定了宇宙重子密度，而持续存在的锂丰度差异则可能为新物理学提供了窗口。

History

20世纪70年代早期的氦测量支持了大爆炸理论，而20世纪90年代以来的高分辨率类星体光谱学提供了精确的氘丰度；随着测量的精确化，锂-7丰度成为一个顽固的差异，尽管其他方面吻合良好。

Debates

锂问题

在古老恒星中测得的锂-7丰度比根据宇宙微波背景辐射重子密度预测的值低几倍，提出的解释包括恒星耗尽、不确定的核反应速率以及超越标准模型的物理学，但目前尚无定论。

Key figures

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

Seminal works

• cyburt2016

Frequently asked questions

为什么要测量贫金属环境中的丰度？

恒星在宇宙时间尺度上产生和破坏轻元素，因此为了恢复原始值，天文学家寻找化学上最原始、贫金属的气体和恒星，因为在那里，后期恒星演化造成的污染最小。

什么是锂问题？

它是指根据宇宙微波背景辐射的重子密度，大爆炸核合成预测的锂-7丰度与在古老恒星中实际观测到的较低丰度之间的不匹配，这种差异仍然无法解释。