Var är allt litium?

Om någon skulle fråga dig hur viktigt grundämnet litium är, så skulle kanske batteriet i mobiltelefonen vara det första du tänker på. Eller så skulle du kanske tänka på psykofarmaka. Men litium, det tredje elementet i periodiska systemet, spelar en mycket större roll än så i vårt universum.

Litium ses av astronomer som ett av de mest intressanta ämnena i världsalltet, men också ett av de mest förbryllande. Det är ett av de första ämnena som bildades strax efter big bang. Litium skapas även inne i stjärnorna där kärnreaktioner främst omvandlar väte till helium. Men teoretiska beräkningar av litiums förekomst i universum och mätningar av litium i stjärnorna dras med ett allvarligt problem. De stämmer inte överens.

Bara några få minuter efter big bang bildades väte, helium och litium. Teorin om hur atomkärnorna bildades är en väsentlig del av den nuvarande kosmologiska teorin om big bang, som förutsäger både de reaktioner som ägde rum då och hur mycket av varje grundämne som bildades i det tidiga universum. Mängderna bestäms till stor del av relationen mellan antalet protoner och neutroner, de partiklar som bildar atomkärnan, och antalet fotoner, som är ljuspartiklar. Just denna relation är ett resultat av de mest robusta mätningar som under det senaste decenniet gjorts med hjälp av WMAP- och Plancksatelliterna. Satelliterna mätte universums så kallade kosmiska bakgrundsstrålning, som härstammar från tiden 380 000 år efter big bang – innan de första stjärnorna bildades. Med hjälp av den uppmätta relationen och kosmologiska modeller kan astronomerna beräkna mängden av väte, helium och litium som producerades strax efter big bang.

För att testa om de teoretiska beräkningarna stämmer måste vi hitta astronomiska objekt som innehåller dessa ämnen. Lyckligtvis har vi hittat dem relativt nära oss – i vår galax, Vintergatan. Och mycket riktigt stämmer observationerna av väte och helium till punkt och pricka med de teoretiska förutsägelserna. Litium, däremot, har framför allt uppmätts i stjärnorna, och dess förekomst är, som sagt, problematisk.

Astronomerna har sedan länge antagit att det ursprungliga litiumet har bevarats i atmosfärer hos de äldsta stjärnorna i Vintergatan. Där tror vi att den kemiska sammansättningen bör spegla sammansättningen av den gas ur vilken stjärnan bildades. En komplikation uppstår dock, eftersom litium även kan produceras inne i stjärnorna, när väte förbränns i kärnreaktioner. Samtidigt är litium extremt ömtåligt och förstörs snabbt vid temperaturer över ett par miljoner grader. Så allt litium som skapas i stjärnans inre förbränns omedelbart till helium och försvinner.

Kvar är då litium i atmosfären hos de äldsta stjärnorna och detta borde spegla den ursprungliga mängden litium. För att vi ska kunna bestämma denna mängd behöver vi alltså studera gamla stjärnor.

Ytterligare en process som vi måste ta hänsyn till är omblandningen av ämnena inne i stjärnan – konvektion. Konvektionen flyttar material från stjärnans atmosfär ner mot dess heta inre där kärnförbränning äger rum. Där skulle allt litium förstöras. Länge trodde dock astronomerna att i gamla stjärnor skulle litiumet inte hamna längst in i hettan, eftersom de äldsta stjärnorna, som bara innehåller lätta element i sina yttre lager, har mycket tunna konvektionszoner nära ytan. Så i de äldsta stjärnorna borde det ursprungliga litiumet bevaras.

År 1982 mätte två franska astronomer, Monique och François Spite, mängden litium i flera gamla stjärnor och fann att alla stjärnor innehöll lika mycket litium. Denna konstanta mängd litium tros spegla den ursprungliga mängden litium i universum, och har senare kallats för Spiteplatån. Därefter har många astronomer mätt förekomsten av litium i gamla stjärnor i vår galax och i dvärggalaxer i närheten av Vintergatan. Mätningarna har bekräftat att mängden litium faktiskt håller sig konstant till och med när de gamla stjärnorna har olika densitet och temperatur. Men denna konstanta mängd litium är ungefär tre till fyra gånger lägre än vad big bang-teorin förutsäger att den ska vara. Och det är detta som kallas det kosmiska litiumproblemet.

Vart har det ursprungliga litiumet tagit vägen? Lösningen på problemet söker vi nu både i vår beskrivning av hur ämnet produceras och bryts ner inuti stjärnorna, och i möjliga utvidgningar av standardmodellen för partikelfysik.

För närvarande finns det två möjliga lösningar. Antingen tömdes rymden på ursprungligt litium redan innan de äldsta stjärnorna bildades. Eller så har stjärnorna själva förbrukat ämnet i en hittills okänd process.

Hur kan då litium ha utarmats i det tidiga universum, innan de första stjärnorna tändes? Mörk materia kan ge svaret. Vi har överväldigande bevis för att mörk materia faktiskt existerar i universum. Men vi vet fortfarande inte vad den består av. En populär teori bland partikelfysiker är att den mörka materien består av massiva partiklar – så kallade wimps (från weakly interacting massive particles) – som bara svagt växelverkar med den kända materien. Man tänker sig att wimps har bildats vid sönderfall av mer massiva partiklar som skapades strax efter big bang.

Teorin sätter mycket snäva ramar för hur mycket materia som kan ha skapats då. De allra flesta mörkmateriepartiklarna måste därför vara av en okänd sort som kräver nya teorier bortom dagens standardmodell för partikelfysik.

En sådan teori är supersymmetri, som säger att varje känd partikel har en superpartner, som ingen ännu har träffat på. Den lättaste av de supersymmetriska partiklarna förväntas vara elektriskt neutral och stabil, och är en het kandidat till den mörka materien.

Samtidigt är de tyngre supersymmetriska partiklarna instabila och sönderfaller till redan kända partiklar, som i sin tur växelverkar med omgivningen. Enligt den supersymmetriska teorin skulle denna växelverkan bland annat innebära att litium delvis försvann redan innan de första stjärnorna tändes flera hundra tusen år efter big bang.

En annan tanke är att mörk materia inte förstör litium, utan snarare får oss att räkna fel. Detta föreslås i en teori som nu har fått ökat intresse och som hävdar att den mörka materien består av ännu okända partiklar, axioner. Axionerna själva kan enligt denna teori inte förstöra litium, som partiklarna i den supersymmetriska modellen. I stället påverkar de den kosmiska bakgrundsstrålningen.

Man tänker sig att axioner får ljuspartiklarna, fotonerna, att verka kallare. Då ter sig bakgrundsstrålningen något mörkare än den annars skulle ha varit. Därmed underskattar vi fotonernas energi strax efter big bang, och det skulle medföra att litiumförekomsten överskattas i beräkningarna.

Både supersymmetri och axioner är mycket eleganta teoretiska begrepp, som, ifall vi hittar dem i naturen, kan förklara både egenskaper hos mörk materia och hur litium förstörts innan de äldsta stjärnorna bildades. Än så länge har dock alla försök att hitta tecken på supersymmetrin i partikelacceleratorn vid Cern i Genève misslyckats. Inte heller axioner har observerats ännu. Det kan finnas en chans att hitta även dem vid Cern. Eller kanske till och med tidigare, i ett experiment som startar senare i år vid University of Washington i Seattle, USA.

Medan fysikerna letar efter bevis för sina teoretiska modeller har astronomerna valt ett annat sätt att ta itu med litiumproblemet. Frågan vi ställer oss är inte hur mycket litium som producerades i big bang, utan i stället hur väl vi förstår vad som sker inuti stjärnorna.

Nyligen har vi mätt mängden litium i den interstellära gasen i Lilla magellanska molnet, en av granngalaxerna till Vintergatan. Fördelen med att använda rymdgas är att förekomsterna inte påverkas av komplicerade processer inne i stjärnorna som ändrar gasens sammansättning.

Resultaten blev överraskande – den uppmätta litiumförekomsten stämmer väl överens med big bang-teorins förutsägelser. Detta förbryllar, men stöder också tesen om att underskottet av litium i våra observationer beror på att det förstörs inne i stjärnorna.

Eller så har vi kanske gjort fel när vi observerade stjärnornas atmosfärer. För att få fram mängden av ett grundämne i atmosfären hos en stjärna måste vi göra ett antal antaganden, till exempel om stjärnans temperatur och tryck. Vi bortser helt från stjärnans magnetiska fält vilket i sin tur kan få effekter för hur vi behandlar omblandningen av materia inne i stjärnan. Förenklingarna var nödvändiga förr i tiden för att kunna göra datorberäkningar. Trots att det i dag finns nya modeller, fortsätter de flesta att använda den gamla.

Det är just den gamla modellen som fick astronomerna att bortse från processer som pågick i de äldsta stjärnorna – man trodde att dessa inte nämnvärt skulle påverka den kemiska sammansättningen på stjärnornas yta. Numera tvivlar vi på att det stämmer. I stället kan det pågå en omblandning av stjärnmaterial som får ämnena i stjärnatmosfären att både späs ut med andra ämnen inifrån stjärnan och att ibland till och med helt försvinna från ytan.

Vi har faktiskt gott om bevis. Till exempel speglar förekomsten av kol, kväve och syre vid ytan på jättestjärnor kärnprocesserna längst in i stjärnan. Det tyder på att en extra omblandning är verksam som transporterar material till ytan. Å andra sidan har vi sett på exempelvis solen, att en omvänd rörelse också äger rum, då ämnena från ytan sjunker inåt. Genom en sådan process, diffusion, skulle en del av materialet kunna försvinna från solytan.

Vi tror att diffusionen kan spela ännu större roll i de gamla stjärnorna, de som vi tror innehåller den mest ursprungliga litiummängden. I så fall skulle vi kunna förklara varför våra mätvärden för litium inte stämmer överens med vad som beräknats teoretiskt med big bang-modellen.

Nya studier har dessutom gett stöd år denna misstanke om hur litium försvinner i stjärnorna. Det fattas nämligen ännu mer litium i atmosfären hos de gamla stjärnorna än hos de något yngre. Vi tror som sagt att diffusionen ligger bakom försvinnandet.

För att visa detta jämför vi våra teoretiska beräkningar med observationer av klotformiga stjärnhopar. I de flesta fall är nämligen alla stjärnor i klothoparna lika gamla och har samma kemiska sammansättning. Därför blir skillnader i den kemiska sammansättningen hos stjärnorna i hopen ett tydligt tecken på att deras atmosfärer mixats om.

Och våra mätdata visar sig passa väl ihop med modellen som innehåller diffusion kombinerad med en extra turbulent omblandning av stjärnatmosfären. Däremot är själva turbulensen än så länge bara väldigt grovt beskriven av teorin. Våra ansträngningar inriktas nu därför på att undersöka de fysikaliska fenomen, som gravitationsvågor, i stjärnornas inre som driver på den turbulenta omblandningen.

Vilken av vägarna som leder fram till lösningen på mysteriet med litium är ännu för tidigt att säga. Litium förblir en gåta, men kanske inte så länge till.