Waar is al dat lithium naartoe? Claude Doom

Transcriptie

1 Waar is al dat lithium naartoe? Claude Doom

2 2 Lithium Johan August Arfvedson ontdekte lithium in 87

3 Lithium in de tabel van Mendeljev 3 3 protonen 3 elektronen 4 neutronen

4 Lithium 4 Zilverwit alkalimetaal (lichtste metaal) Zacht (te snijden met mes) Dichtheid (water = ): 0,535 Smelt bij 8 C Verdampt bij 330 C Zeer reactief en brandbaar Oxideert snel (Li 2 O) (bewaren in olie) Goede elektrische geleider spodumeen lepidoliet petaliet Komt in zoutverbinding voor in minerale bronnen en zoutmeren Komt voor in mineralen (spodumeen, petaliet, lepidoliet) Lithium wordt afgezonderd via elektrolyse uit lithiumchloride Prijs: $6/kg, jaarlijkse productie: ton, geschatte reserves (2008): 3 mio ton

5 Waarvoor gebruikt men lithium? 5 Batterijen Andere Scheikunde Medische toepassingen Productie aluminium Polymeren Metaalindustrie Gasindustrie Smeermiddelen Keramiek en glas China Argentinië Australië Chili

6 Soorten lithium: isotopen 6 Isotoop = gelijk aantal protonen, verschillend aantal neutronen Zelfde element (scheikundig), ander atoomgewicht, andere kernreacties 7,5% 92,5% Onstabiel t /2 = 0,84 s 8 Be 2 4 He

7 De vorming van lithium 7

8 Gewichtsfractie Waar komt lithium vandaan? 8 Big Bang: vorming waterstof, helium, lithium, beryllium 4 He + 3 H 7 Li 4 He + 3 He 7 Be + n 7 Li + p 0 5 Tritium Waterstof Deuterium = eindproduct Big Bang Tijd ná de Big Bang

9 Fractie t.o.v. H Fractie t.o.v. H Massafractie Vorming lithium tijdens Big Bang (voorspelling) 9 Theoretische berekeningen nucleosynthese tijdens Big Bang Materiedichtheid Aantal lithiumatomen t.o.v. aantal waterstofatomen: 4,7 ± 0,7 0 0 of: lithiumatoom per 2 miljard waterstofatomen waargenomen # baryonen / # fotonen

10 Vorming lithium ná de Big Bang 0 Kosmische straling Stroom deeltjes met gigantische energie (en snelheid) Doorheen het interstellaire medium Botsen met aarde stroom deeltjes Ín kosmische straling gebeuren kernreacties Fusie: 4 He (ISM) + 4 He (kosmische straling) 7 Li + p Spallatie : deeltjes schieten andere deeltjes stuk Zwaardere deeltjes vallen uiteen in lichtere deeltjes Vb. koolstof, stikstof of zuurstof (ISM) + proton (kosmische straling) lithium, beryllium, boor +... Netto aanmaak van lithium: nu factor 4 hoger dan na Big Bang

11 Aantal lithiumatomen / aantal waterstofatomen Evolutie van hoeveelheid lithium in het heelal voorspeld waargenomen 00 miloen Leeftijd van het heelal (miljarden jaar) Vandaag miljard Big Bang Meteorieten 0 miljard 00 miljard Oude sterren IJzergehalte (zon = ) 0 Jonge sterren

12 De afbraak van lithium 2

13 normale kernreacties Lithium in sterren 3 Lithium uit het interstellaire medium wordt opgenomen in sterren Lithium ondergaat kernreacties in het inwendige: lithiumverbranding : 7 Li + p 8 Be 2 4 He 6 Li + p 7 Be + e 7 Li Die breken het lithium af tot helium... Dat kan gebeuren bij vrij lage temperatuur: vanaf 2,5 miljoen graden Ster als de zon: binnenste 70% Ster zoals de Zon

14 Zien we daar ook iets van aan het oppervlak? 4 Lithiumverbranding gebeurt binnenin de ster Buitenkant in evenwicht (hoofdreeksster >,2 M zon ): Buitenlagen liggen stil ( stralingsevenwicht ) Lithium = lithium bij geboorte Buitenkant convectief (gele, rode reus, hoofdreeksster <,2 M zon ): Buitenlagen turbulent Lithiumverbranding binnenin Transport van materie Mogelijk minder lithium aan oppervlak

15 Lithiumverbranding in sterren: hot bottom burning 5 Rode reus, M Zon convectie. Onderkant convectieve laag Temperatuur > 2,5 miljoen graden Lithium Helium Hot bottom burning Hoeveelheid lithium daalt 2. Convectieve laag Transport materie onder - boven Lithiumarme materie oppervlak Lithiumrijke materie onder 3. Oppervlak Lithiumarme materie oppervlak Lithiumgehalte oppervlak daalt voortdurend tot bijna alle lithium verdwenen is

16 Lithiumverbranding in sterren: materieverlies 6 Zware ster: massa > 25 M Zon na enkele miljoenen jaar. Convectieve kern Waterstof Helium Lithium Helium Alle lithium vernietigd 2. Materieverlies Sterrenwind blaast snel buitenkant weg Lagen met nucleaire verbranding oppervlak Lithiumloze materie oppervlak 3. Oppervlak Lithiumloze materie aan oppervlak Lithiumgehalte oppervlak daalt plots

17 Oud Jong Lithiumverbranding: in welke sterren? 7 Lithium verdwenen Buitenkant in evenwicht Geen of weinig materieverlies Lithium intact MATERIEVERLIES HOT BOTTOM BURNING Lithium deels tot volledig verdwenen Convectieve buitenkant, maar géén hot bottom burning Lithium intact

18 Lithium in sterren: de waarnemingen 8

19 Hoe lithium vinden in sterren? 9 Spectrum: specifieke spectrale lijnen vooral dubbele spectraallijn bij 670,8 nm (rood) Ster Zon Ster

20 Big Bang Aantal sterren Zonnestelsel (meteorieten) Lithium in rode reuzen 20 # Li / # H

21 # Li / # H Lithium in jonge sterren (Pleiaden) 2 / miljard Convectie minder efficiënt / 0 miljard / 00 miljard Convectie zeer efficiënt

22 Lithium in ijzerarme lichte sterren 22 Het Spite plateau 982

23 Lithium in ijzerarme lichte sterren 23 Het Spite plateau 982 François Spite Monique Spite Observatoire de Meudon

24 # Li / # H A(Li) Lithium in ijzerarme sterren en de Big Bang? Spiteplateau = lithium na Big Bang ( primordiaal ) Het Spite plateau 982 / 6,3 miljard / 0 miljard 2.0 Theorie voorspelt / 2 miljard (drie keer meer!) Waar is al dat lithium naartoe?.5.0 / 00 miljard [Fe/H] / 000 / 00 Nog ouder IJzergehalte (Zon = ) Zeer oud

25 # Li / # H Voorbij het Spiteplateau: nóg ijzerarmere sterren Waar is al dat lithium naartoe? Theorie voorspelt / 2 miljard (50 keer meer!) / 0 miljard / 00 miljard / 000 miljard / / / / 000 IJzergehalte (Zon = )

26 # Li / # H Lithium in de Zon 26 Vergelijk: # Li / # H: / 90 miljard Big Bang: / 2 miljard Geboorte zonnestelsel: / 550 miljoen / miljard Convectie minder efficiënt / 0 miljard / 00 miljard Convectie zeer efficiënt Waar is al dat lithium naartoe? Conclusie: in de fotosfeer Zon is bijna álle lithium vernietigd, alhoewel we dat niet verwachten op basis van realistische modellen

27 Aantal lithiumatomen / aantal waterstofatomen Samengevat: het lithiumprobleem 27. IJzerarme sterren sterren bevatten minder lithium dan wat 00 miloen voorspeld is bij de Big Bang Waar is al dat lithium naartoe? Vandaag miljard Big Bang Meteorieten Spiteplateau 0 miljard 00 miljard Zon Oude sterren IJzergehalte (zon = ) 0 Jonge sterren Waar is al dat lithium naartoe? 2. Aan het oppervlak van de Zon is bijna alle lithium vernietigd, alhoewel er geen hot bottom burning is

28 Oplossingen voor het lithiumprobleem 28

29 # Li / # H De Zon: lithium en leeftijd 29 / miljard Sterren zoals de Zon maar met verschillende leeftijd / 0 miljard Lithium wordt langzaam vernietigd / 00 miljard Zon / 000 miljard Leeftijd ster (miljard jaar)

30 Lithiumverbranding Temperatuur (K) De Zon: Waar is de temperatuur hoog genoeg? 30 Convectieve buitenkant Lithiumverbranding Temperatuur bodem convectieve zone Afstand tot het centrum (oppervlak = )

31 Lithiumverbranding Temperatuur (K) De Zon: extra opmenging en hot bottom burning 3 Convectieve buitenkant Lithiumverbranding Temperatuur bodem convectieve zone Zone met langzame menging (duizenden jaar) Vb. door differentiële rotatie: lagen schuren langs elkaar Afstand tot het centrum (oppervlak = )

32 De Zon: extra opmenging en hot bottom burning 32

33 De Zon: meer opmenging? 33 Theoretische modellen

34 Big Bang productie van lithium 34 BB voorspeld = 3 keer hoger dan Spiteplateau Spiteplateau = BB (dus: BB voorspellingen verkeerd) Iets veranderen aan de details van de Big Bang? Andere reactiesnelheden voor lithiumreacties? Donkere materie (vb. valt uiteen, verhindert vorming lithium)? Supersymmetrie? Natuurconstanten niet constant????? Spiteplateau BB (dus: BB voorspellingen juist) Iets veranderen aan de evolutie van lichte sterren: Lithium wordt tóch gedeeltelijk vernietigd in lichte sterren

35 Contractie nieuwgeboren sterren naar de hoofdreeks 35 Tijdens contractie: convectieve zone Lage massa (< 0,6 M zon : helemaal convectief! Dus Hot-bottom-burning mogelijk Evenwicht Binnenkant convectief Binnenkant in evenwicht Convectief

36 HBB bij pas geboren sterren (nog aan het samentrekken) 36 Binnenkant in evenwicht Klein deel convectief Bijna helemaal convectief Fractie overblijvend lithium

37 # Li / # H De evolutie van lichte sterren tijdens contractiefase 37 Efficiënte opmenging in lichte sterren gedurende contractie naar hoofdreeks Rotatie (langzame menging) Overshooting (grotere convectieve zones) Convectie: lithiumarme materie oppervlak Binnenin: vernietiging lithium (HBB) Accretie / miljard / 0 miljard / 00 miljard Li/H T Leeftijd (Milj j) Aanvoer lithiumrijke materie via accretieschijf

38 # Li / # H Extra menging + accretie in samentrekkende sterren 38 Spite / miljard / 0 miljard / 0 miljard / 00 miljard / 00 miljard / 000 miljard / 000 miljard Leeftijd (Milj j) Reproduceert vrij goed het Spiteplateau

39 Conclusies 39

40 Het lithiumprobleem 40. Het voorspelde lithiumgehalte bij de Big Bang is veel groter dan waargenomen in oude sterren Lithium wordt vernietigd, zelfs in oude lichte sterren Evenwicht tussen hot bottom burning en accretie tijdens de contractie Details nog grotendeels onbegrepen 2. Het lithiumgehalte in de Zon is erg laag, ondanks het feit dat er nauwelijks hot bottom burning is geweest Net onder de convectieve zone zit een zone met langzame menging Wellicht te wijten aan differentiële rotatie Details nog grotendeels onbegrepen

41 Dank u 4