in 1982 ontdekte men dat oude sterren allemaal dezelfde hoeveelheid lithium bevatten. een kwarteeuw lang discussieerden astrofysici en kosmologen of die hoeveelheid lithium overeenstemt met de hoeveelheid lithium die vlak na de big bang is ontstaan. door gebruik te maken van één van de meest krachtige telescopen op aarde denkt men nu het antwoord te hebben gevonden. toch blijft een aantal vragen open.
Lithium: de peper in de oersoep
‘I ask you to look both ways. For the road to a knowledge of the stars leads through the atom; and important knowledge of the atom has been reached through the stars.’ Dit citaat prijkt meer dan eens op een cursus of een tekstboek over astrofysica. Het komt uit Stars and Atoms (1927) van Sir Arthur Eddington, één van de belangrijkste astrofysici van de vorige eeuw. Eddington kende hoogstwaarschijnlijk het werk van Cecilia Payne, die twee jaar vóór Eddingtons beroemde citaat haar revolutionaire doctoraat aan Harvard had behaald. Jarenlang had men aan Harvard met telescoop en prisma duizenden sterspectra opgemeten en – zuiver empirisch – geordend in verschillende klassen. Het briljante aan Paynes werk was dat zij door de toepassing van twee basiswetten uit de statistische kwantummechanica die hele classificatie kon verklaren. De grote verscheidenheid aan sterspectra die men aan Harvard had opgemeten, kon worden teruggebracht tot een verschil in temperatuur en druk tussen de sterren, terwijl hun verschil in chemische samenstelling van veel geringer belang was. Toen is het inzicht ontstaan dat men om de sterren te begrijpen de atomaire structuur moet bestuderen. Dit inzicht geldt nog altijd. Het onderzoek naar de samenstelling van sterren steunt in grote mate op de kennis van de atomaire structuur van de elementen die men wil bestuderen. Vandaag gaat men echter nog iets verder dan alleen de sterren. Door de studie van het element lithium wil men niet alleen de sterren begrijpen, maar ook het ontstaan van het heelal zelf, de oerknal.
Dezelfde hoeveelheid lithiumatomen vinden we terug bij elke oude ster van onze melkweg
Op het oppervlak van de zon vinden we alle (stabiele) elementen terug van het periodieke systeem, van waterstof tot uranium. 98,8 procent van de zon bestaat uit waterstof en helium. De overige 90 elementen maken maar een goede procent van de massa uit. Hoeveel deeltjes van een bepaald element op de zon of eender welke andere ster zitten, drukken sterrenkundigen uit tegenover één biljoen waterstofatomen, dat zijn een miljoen maal een miljoen waterstofatomen. Tegenover zo’n hoeveelheid waterstofatomen vind je op de zon bijvoorbeeld 10 goudatomen, 100 loodatomen en 11 lithiumatomen. In sterren die veel ouder zijn dan de zon, zijn er dat geen 11, maar ongeveer 132. En wat meer is: die hoeveelheid lithiumatomen vinden we terug bij elke oude ster van onze melkweg. De constante hoeveelheid lithium bij oude sterren, het zogenaamde Spite-plateau, intrigeert sterrenkundigen nu al vijfentwintig jaar, sinds de ontdekking ervan in 1982. Voor wat betreft de herkomst van het lithium is men het erover eens dat de 132 lithiumatomen gemaakt zijn tijdens de eerste minuten na de oerknal. Of er ondertussen atomen zijn verdwenen en op welke manier, is precies de inzet van de discussie tussen de verschillende onderzoeksgroepen.
Laat ons beginnen bij het begin. Het échte begin: de oerknal, zo’n 13,7 miljard jaar geleden. Wat er precies direct na de oerknal allemaal is gebeurd, is eigenlijk een wetenschap op zich, maar de condities van het jonge heelal één tiende seconde na de oerknal kunnen we wél beschrijven met een aantal vrij eenvoudige wetten uit de thermodynamica. Vast staat dat vanaf ongeveer één seconde na de oerknal tot ongeveer twintig minuten na de oerknal de temperatuur in het jonge heelal geschikt is voor nucleosynthese: protonen en neutronen die op dat moment gevormd zijn uit kleinere quarks, gaan tijdens de eerste twintig minuten fuseren tot voornamelijk helium. Na die twintig minuten bestaat het heelal voor ongeveer 76 procent uit protonen (of waterstofkernen) en voor 24 procent uit helium. Dit is de zogenaamde ‘oersoep’. In die oersoep zijn er echter ook zeer kleine snuifjes deuterium, lithium, beryllium en boor terug te vinden. Deuterium is een waterstofisotoop, dit wil zeggen een andere ‘versie’ van waterstof: de gewone waterstofkern bestaat uit een enkel proton, een deuteriumkern bestaat uit één proton en één neutron. De eerste generatie sterren, die ongeveer 400 miljoen jaar na de oerknal worden gevormd, bestaan volledig uit dit big bang-materiaal. In het heelal zijn er op dat moment dus nog geen zware elementen te vinden: alles bestaat uit waterstof en helium, plus kleine vleugjes lichte elementen, voornamelijk deuterium en lithium.
Hoe minder metalen een ster bevat, des te ouder ze is
De ‘vervuiling’ – sterrenkundigen spreken eerder van ‘verrijking’ – van het heelal begint wanneer de eerste sterren hun evolutie eindigen als supernova. Zware sterren hebben tijdens hun relatief snelle evolutie in hun binnenste lagen allerlei zware elementen aangemaakt via kernfusie, vooral ijzer, maar ook silicium, magnesium en zuurstof. Als zo’n ster explodeert in een supernova, verstrooit ze haar assen over het interstellaire midden. De sterren die ontstaan uit dit ‘stoffelijke’ overschot, hebben nu wél zwaardere elementen. We dienen hier nog op te merken dat het niet alleen de zware sterren zijn die het heelal verrijken. Ook minder zware sterren maken elementen aan, vooral koolstof, maar ook barium en lood. Het materiaal waaruit onze zon is gemaakt, is zo al door verschillende generaties sterren gefietst en bevat dus de fusieproducten van vorige generaties sterren. Die ‘solaire mix’ is een mengeling van de oersoep, verrijkt met producten van vorige generaties sterren. Bijgevolg kunnen we stellen dat het metaalgehalte van een ster een maat is voor haar ouderdom: hoe minder metalen een ster bevat, des te ouder ze is. Sterren zonder metaal – dat zijn dan de sterren die gevormd zijn uit big bang-materiaal – zijn tot nu toe nog niet gevonden. De meest metaalarme ster tot nu toe ontdekt, heeft zo’n 280 000 keer minder metalen dan de zon, maar ze bevat nog wel metalen. Het Spite-plateau – het constante aantal van 132 lithiumatomen per één biljoen waterstofatomen – begint al bij sterren die slechts honderd keer minder metalen bevatten dan de zon. Zo weten we exact hoeveel lithium er tijdens de big bang is gemaakt … Of toch niet?
Laten we nog even terugkeren naar de eerste twintig minuten. We kunnen de samenstelling van het heelal twintig minuten na de oerknal nauwkeurig voorspellen, omdat de kernreacties die tijdens die twintig minuten plaatsvonden met een vrij hoge precisie gekend zijn. Het reactienetwerk is daarenboven veel beperkter dan het reactienetwerk dat bijvoorbeeld nodig is om de nucleosynthese in sommige sterfasen te beschrijven. De voornaamste reden is eigenlijk dat er geen stabiele kern (dus een proton-neutroncombinatie) bestaat met acht deeltjes en dat fysische feit geldt als een soort flessenhals voor de big bang-nucleosynthese. De grote moeilijkheid in de big bang-nucleosynthese is echter dat er één onbekende parameter is in de hele berekening en dat is de materie-lichtverhouding, oftewel het aantal protonen plus neutronen tegenover het aantal lichtdeeltjes of fotonen. Als er bijvoorbeeld meer fotonen zijn, dus bij een kleinere materie-lichtverhouding, dan worden pasgevormde kernen vaker opnieuw gespleten tijdens de eerste twintig minuten en wordt er netto minder helium gevormd. Analoog heeft de materie-lichtverhouding ook een effect op de uiteindelijke hoeveelheid lithium. Omgekeerd kunnen we stellen dat door de waarneming van het lithiumgehalte in oude sterren van het Spite-plateau, de materie-lichtverhouding, en dus de gehele big bang-nucleosynthese wordt vastgelegd. Net daar knelt het schoentje. Er is niet één type waarneming dat ons de materie-lichtverhouding geeft, maar er zijn er drie. Vooreerst heb je dus de hoeveelheid lithium in de metaalarme sterren van het Spite-plateau. Het tweede type waarneming is de hoeveelheid deuterium in de spectra van quasars. Deuterium is nog veel fragieler dan lithium: sterren breken deuterium alleen af en de hoeveelheid deuterium daalt monotoon met de tijd. Astronomen zijn erin geslaagd om met een ingenieuze waarneming de hoeveelheid deuterium te achterhalen in stofwolken die zo ver staan dat ze bij wijze van spreken vlak na de big bang zijn gevormd. We kunnen de samenstelling van die wolken onderzoeken omdat er een uiterst krachtige lichtbron, een quasar, de wolk als het ware verlicht. Het derde type waarneming is het meten van het percentage helium in metaalarme en dus oude melkwegstelsels.
Sterrenkundigen beschikken over drie onafhankelijke manieren om één en dezelfde onbekende, de materie-lichtverhouding van het heelal, te schatten
Sterrenkundigen beschikken bijgevolg over drie onafhankelijke manieren om één en dezelfde onbekende, de materie-lichtverhouding van het heelal, te schatten: de hoeveelheid lithium in de oude sterren van het Spite-plateau, de hoeveelheid deuterium in zeer oude stofwolken en de hoeveelheid helium in metaalarme melkwegstelsels. Het feit dat er drie onafhankelijke schattingen bestaan voor één onbekende is een unicum in de sterrenkunde. Vaak geldt het omgekeerde en zijn er in vele sterrenkundige modellen zoveel parameters dat je er ijscrème mee kunt maken. Het drama is echter dat die drie ‘metingen’ van de materie-lichtverhouding niet overeenstemmen. Dit is niet verwonderlijk, want elke meting heeft zijn eigen onzekerheden en moeilijkheden. Het verschil is echter groter dan wat de fouten toelaten. De deuteriummeting wordt gezien als vrij betrouwbaar omdat zij een zeer directe meting is, zonder al te veel veronderstellingen. Het probleem met die meting is dat er slechts een handvol verre stofwolken bekend zijn die geschikt zijn voor de meting, met nogal verschillende resultaten. De metaalarme sterrenstelsels geven een eerder ruwe schatting. De afleiding van de hoeveelheid helium uit de spectra van die stelsels is helemaal niet evident. De hoeveelheid lithium ten slotte is twee tot drie keer kleiner dan de hoeveelheid lithium die men zou verwachten op basis van de deuteriummeting. Als we het aantal lithiumatomen berekenen met de materie-lichtverhouding zoals men ze haalt uit de deuteriummeting, komen we uit op ongeveer 350 lithiumatomen op één biljoen waterstofatomen, in plaats van de 132 die men nu ziet. Dit probleem duidt men in de sterrenkunde aan met ‘de kosmologische lithiumdiscrepantie’ en heeft het laatste decennium al tot verhitte discussies geleid, zowel in de vakliteratuur als op internationale conferenties.
De discussie lijkt nu definitief beslecht, althans dat is de boodschap van een internationaal team van onderzoekers in het augustusnummer van Nature van vorig jaar. De auteurs van dit artikel beweren dat de hoeveelheid lithium die we terugvinden op oude sterren, niet gelijk is aan de hoeveelheid lithium die geproduceerd is in de big bang, en dus dat de deuteriummeting de juiste materie-lichtverhouding geeft. De idee is dat de sterren bij hun ontstaan wél de hoeveelheid lithium hadden van de big bang, maar dat er een deel van de lithiumatomen ondertussen dieper naar het centrum van de ster is gezakt, gewoonweg omdat lithiumatomen zwaarder zijn dan waterstof- en heliumatomen. Dit is een zeer langzaam proces, maar omdat de sterren van het Spite-plateau zo oud zijn, zou dit effect toch belangrijk zijn. Die visie is niet echt nieuw en wordt ‘diffusie’ van zware elementen genoemd. De onderzoekers beweren nu dat ze de harde bewijzen gevonden hebben dat die diffusie echt optreedt in de sterren van het Spite-plateau. Met behulp van de FLAMES-UVES-spectrograaf verbonden aan de 8,2m grote VLT-Kueyentelescoop van de ESO in Chili bestudeerden ze sterren van de metaalarme sterrenhoop NGC6397. De sterren van zo’n sterrenhoop zijn allemaal even oud en hebben alle dezelfde samenstelling. Zij vormen daarom een ideaal laboratorium om stellaire evolutiemodellen te testen. Achttien sterren van NGC6397 werden bestudeerd, waarbij voor sommige sterren integratietijden – hetzelfde als sluitertijden op een fototoestel – nodig waren van meer dan twaalf uur. De kleine verschillen in samenstelling tussen de sterren kunnen volgens de onderzoekers alleen afdoende worden verklaard als diffusie werkelijk optreedt. Als men die diffusietheorie nu toepast op de hoeveelheid lithium in de oude sterren van het Spite-plateau, dan blijkt dat ze bij hun ontstaan rond de 350 lithiumatomen per biljoen waterstofatomen hadden, het aantal dat men verwacht uit de deuteriummeting. Bovendien krijgt de interpretatie dat het lithium van het Spite-plateau niet de originele big bang-hoeveelheid is, bijval uit nog een andere waarneming. Er is namelijk nog een vierde onafhankelijke meting die de materie-lichtverhouding oplevert, en dus schattingen voor het big bang-lithium. De studie van de kleine ruimtelijke fluctuaties in de achtergrondstraling, een ander overblijfsel van dezelfde big bang, geeft je eveneens een materie-lichtverhouding. De Amerikaanse WMAP-satelliet bracht die fluctuaties met zeer hoge precisie in kaart en leidde een heel betrouwbare schatting voor de hoeveelheid big bang-lithium af van 437 lithiumatomen per biljoen waterstofatomen.
Zijn de publicatie in Nature en het WMAP-resultaat de definitieve nekslag voor de idee dat het aantal lithiumatomen in de oude sterren van het Spite-plateau sinds de big bang hetzelfde is gebleven? Waarschijnlijk wél. Toch is hierover het laatste woord zeker nog niet gezegd. Het blijft zeer merkwaardig dat het Spite-plateau zo weinig variatie vertoont, terwijl het toch een vrij heterogene groep sterren omvat. Als het werkelijk diffusie is die de hoeveelheid lithium in die sterren naar beneden heeft gebracht, blijft het zeer onwaarschijnlijk dat dit op zo’n uniforme manier is gebeurd. De titel van de publicatie in Nature begint niet voor niets met ‘A probable stellar solution…’. Anderzijds lijkt het moeilijk om de zeer precieze resultaten van de WMAP-satelliet zomaar te relativeren.
Kosmologen zijn grote aanhangers van het scheermes van Ockham, het principe dat als er verschillende verklaringen kunnen worden gegeven voor eenzelfde fenomeen, de eenvoudigste verklaring de voorkeur heeft. In het geval van de big bang zou het wel eens kunnen dat er helemaal geen eenvoudige big bang-nucleosynthese heeft plaatsgevonden. Alle resultaten zoals ze hierboven zijn beschreven, gelden voor de standaardtheorie. Kleine variaties op de standaardtheorie zijn mogelijk en vormen verschillende families van niet-standaard big bang-theorieën, die allemaal lichtjes andere voorspellingen geven voor de uiteindelijke oersoep. Of dit een uitweg kan bieden voor de impasse van de ‘kosmologische lithiumdiscrepantie’, is nog maar de vraag. Misschien moeten de kosmologen toch durven denken aan een ander scheermes dan dat van Ockham.
A. J. Korn, F. Grundahl, O. Richard, P. S. Barklem, L. Mashonkina, R. Collet, N. Piskunov en B. Gustafsson, ‘A probable stellar solution to the cosmological lithium discrepancy’, in: Nature, 2006, 442, 657-659.
Maarten Reyniers is als sterrenkundige verbonden aan de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License