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国家天文台等在宇宙大爆炸锂丰度问题研究中获进展

2017.3.01

　　2月15日，美国天文学会在其研究亮点官网AAS NOVA（Research highlights from the journals of the American Astronomical Society）上介绍了中国科学院国家天文台研究员何建军（原中国科学院近代物理研究所研究员，现为客座研究员）及其合作者关于宇宙大爆炸锂丰度问题的研究成果。

　　该成果发表在国际天体物理期刊《天体物理学快报》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）。这项研究受到国家自然科学基金和科技部国家重点研发计划“大科学装置前沿研究”重点专项的支持。

　　1946年，乔治·伽莫夫（G. Gamow）首次提出了宇宙大爆炸理论。目前，它已成为广为人们接受的宇宙学标准模型。原初大爆炸核合成（Big-Bang Nucleosynthesis，简称BBN）始于宇宙大爆炸约3分钟之后，随着扩张着的宇宙温度和密度的逐渐降低，核反应约一个小时后熄灭，该原初核合成过程结束。该原初BBN过程产生的大部分是氢（1H，约占75%）和氦（4He，约占25%），还有几种少量的轻核素，即2H（通常称之为氘D），3He和7Li，而其他的核素含量微乎其微。这些遗迹为人们研究早期的宇宙提供了独一无二的窗口。

　　1967年，R. Wagoner，W.A. Fowler（1983年诺贝尔物理奖得主）和F. Hoyle三人首次计算了原初核合成过程。目前，利用标准BBN理论结合威尔金森微波各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，简称WMAP）精确的宇宙重子密度结果可以对原初轻核的丰度做出严格的预言。其中D和4He的天文观测结果和理论预言符合得很好，但是，BBN+WMAP预言的原初7Li丰度要比观测的大3~4倍。这种在4~5σ置信度区间的不匹配（或差异），被称之为宇宙锂问题。

　　当前，宇宙锂问题仍然是核天体领域非常重要的一个疑难问题。在过去的十几年里，人们做了很多尝试，但是传统的核物理都未能在标准的大爆炸模型下解决该问题。近日，何建军联合国内外核物理和天体物理学家通过研究粒子速度分布的变化对核合成的影响，提出了一种解决宇宙锂问题的新思路和方法。

　　核天体物理反应率是由能量依赖的核反应截面与经典的粒子麦克斯韦-玻尔兹曼速度分布（简称MB分布）的卷积计算得到的。可以看出经典粒子MB分布是核天体物理模型重要输入量（核反应率）计算的基础。众所周知，粒子MB分布在上世纪50年代就被实验所证实了，但是当时的实验温度都不超过1000 K。人们自然会产生一个疑问：在宇宙大爆炸如此高温（约109 K），碰撞（包括核反应）如此频繁的复杂环境下，经典粒子MB分布（基于理想气体的概念）是否仍然成立呢？科研人员从该角度出发，利用非广延统计代替经典的玻尔兹曼-吉布斯统计来描述原初等离子体的粒子分布，即用非广延Tsallis分布来代替经典的麦克斯韦-玻尔兹曼（MB）分布来研究大爆炸核合成。Tsallis分布通过引入非广延参数q来描述，当q趋近于1时, 该分布简化为经典的MB分布。粒子分布的改变会引起反应率的变化，进而能够对原初核合成产生影响。研究人员发现，当非广延参数q的值在1.069≤q≤1.082范围内，就可以成功解决宇宙锂问题。当然，大爆炸原初核合成极高温环境下粒子的实际速度分布规律还需要实验的进一步验证。

宇宙大爆炸

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周锦帆