Las abundancias estelares de Litio concuerdan con los modelos de Big Bang

Durante décadas, los astrónomos se han enfrentado a  serias dificultades para la conciliación de la cantidad de litio producida en el Big Bang con la abundancia medida en estrellas muy viejas. Ambos isótopos estables del litio han sido causa de muchos dolores de cabeza, planteando una paradoja difícil: las estrellas contienen demasiado 6Li más ligero y no lo suficiente de 7Li más pesado. Con los nuevos y mejorados modelos de formación de la línea espectral en la atmósfera de estrellas pobres en metales, un grupo internacional de científicos del Max Planck Institute für Astrophysik fueron capaces de arrojar nueva luz sobre el problema. La conclusión es que las abundancias de los isótopos de litio en estas estrellas viejas no son incompatibles con las predicciones del modelo estándar de la nucleosíntesis del Big Bang.

Esta visualización de una simulación de la radiación hidrodinámica ilustra cómo la fuerza de la línea de litio varía a través de la superficie de una atmósfera estelar pobre en metales. Crédito: MPA

Esta visualización de una simulación de la radiación hidrodinámica ilustra cómo la fuerza de la línea de litio varía a través de la superficie de una atmósfera estelar pobre en metales. Crédito: MPA

La medición de la relación isotópica de litio en las estrellas es extremadamente difícil, tanto desde un punto de vista observacional como desde una perspectiva teórica. Las observaciones requieren los datos de mayor calidad que telescopios y espectrógrafos modernos pueden proporcionar para diferenciar la débil marca del isótopo más ligero del ruido de observación – en la práctica, el límite de detección en 6Li en espectros estelares pobres en metales está alrededor de solo el 2% del contenido total de litio . Además, factores pueden influir en la forma de los perfiles de las líneas del espectro y por lo tanto afectar a la razón isotópica, por lo que tienen que ser modelados cuidadosamente.

En primer lugar, los movimientos térmicos de gas y de convección causan desplazamientos Doppler en las líneas espectrales, que exigen simulaciones hidrodinámicas realistas en 3D de la radiación de las atmósferas de las estrellas. En segundo lugar, para modelar correctamente la distribución de los átomos en los diferentes estados de excitación e ionización se necesita tener en cuenta las fuertes desviaciones del equilibrio termodinámico local (ETL). Estos complejos cálculos de formación de línea espectral son caros y deben correrse durante semanas en supercomputadores. Esto es por qué hasta ahora, no todos los efectos podrían ser considerados al mismo tiempo y anteriormente fueron simplificados.

Por primera vez, una combinación de simulaciones 3D,y técnicas de no ETL han sido aplicadas para modelar las líneas de litio, de sodio y de calcio espectrales de cuatro estrellas muy pobres en metales. El objetivo es medir las proporciones de isótopos de litio, mientras que los otros elementos neutros sirven como calibradores de la velocidad de rotación proyectada de las estrellas. Sorprendentemente, los astrónomos descubrieron que ninguna de las estrellas muestran una presencia significativa de 6Li, al contrario de las evidencias presentadas en los últimos 20 años.

Esta imagen muestra el espectro de resolución espacial de la línea de litio, donde un color más oscuro indica una mayor densidad de los perfiles de línea. El perfil promediado espacialmente está marcado en negro. Las posiciones centrales de las componentes de la línea 7Li y 6Li están marcados en la parte superior en negro y rojo, respectivamente.Crédito: MPA

Esta imagen muestra el espectro de resolución espacial de la línea de litio, donde un color más oscuro indica una mayor densidad de los perfiles de línea. El perfil promediado espacialmente está marcado en negro. Las posiciones centrales de las componentes de la línea 7Li y 6Li están marcados en la parte superior en negro y rojo, respectivamente.
Crédito: MPA

Los refinados modelos muestran, en concreto, que la suposición de ETL lleva a sobreestimaciones sistemáticas, incluso falsas detecciones de 6Li en un gran espacio de parámetros. El ejemplo más interesante es la desviación de la estrella pobre en metales HD84937, para la cual se demostró una detección indiscutible en al menos tres estudios, mientras que el nuevo modelo no muestra signos importantes de 6Li.

Los resultados de las cuatro estrellas están en un acuerdo satisfactorio con el modelo estándar de nucleosíntesis del Big Bang, que fusiona cantidades insignificantes del isótopo más ligero. Lo que queda por explicar adecuadamente es por qué las abundancias del elemento 7Li no están a la altura de la predicción primordial. Este estudio refuerza la reivindicación de que las estrellas pueden actuar como sumideros de ambos isótopos de litio, drenando lentamente sus atmósferas de estos elementos más pesados ​​en el tiempo. Este proceso de difusión lenta ha sido postulada teóricamente y tiene el gran potencial para explicar por qué las abundancias estelares observadas de litio pesado ​​son más bajos de lo esperado. De esta manera, los problemas cosmológicos del litio, que han perseguido tanto a los físicos de partículas como a los astrofísicos desde el lanzamiento del satélite WMAP, pueden encontrar su solución en la mejora de la física de las atmósferas estelares.

[Referencias: Lind K., Melendez J., Asplund M., Collet R. & Magic Z., “The lithium isotopic ratio in very metal-poor stars”, (submitted to A&A). MPA]

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