Waar is al dat lithium naartoe?
advertisement
1 Waar is al dat lithium naartoe? Claude Doom 2 Lithium Johan August Arfvedson ontdekte lithium in 1817 Lithium in de tabel van Mendeljev 3 protonen 3 elektronen 4 neutronen 3 4 Lithium Zilverwit alkalimetaal (lichtste metaal) Zacht (te snijden met mes) Dichtheid (water = 1): 0,535 Smelt bij 181°C Verdampt bij 1330°C Zeer reactief en brandbaar Oxideert snel (Li2O) (bewaren in olie) Goede elektrische geleider lepidoliet spodumeen 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: 500 000 ton, geschatte reserves (2008): 13 mio ton 5 Waarvoor gebruikt men lithium? Andere Scheikunde Medische toepassingen Productie aluminium Polymeren Metaalindustrie Batterijen Gasindustrie Smeermiddelen Keramiek en glas China Chili Argentinië Australië 6 “Soorten” lithium: isotopen Isotoop = gelijk aantal protonen, verschillend aantal neutronen Zelfde element (scheikundig), ander atoomgewicht, andere kernreacties 7,5% 92,5% Onstabiel t1/2 = 0,84 s 8Be 2 4He 7 De vorming van lithium 8 Waar komt lithium vandaan? Big Bang: vorming waterstof, helium, lithium, beryllium + 3H 7Li 4He + 3He 7Be + n 7Li + p 4He Tritium Waterstof Deuterium Gewichtsfractie 1 105 1010 1 = eindproduct Big Bang 10 100 1000 Tijd ná de Big Bang 10000 Vorming lithium tijdens Big Bang (voorspelling) Massafractie Fractie t.o.v. H Aantal lithiumatomen t.o.v. aantal waterstofatomen: 4,7 ± 0,7 1010 of: 1 lithiumatoom per 2 miljard waterstofatomen Materiedichtheid waargenomen Fractie t.o.v. H Theoretische berekeningen nucleosynthese tijdens Big Bang # baryonen / # fotonen 9 Vorming lithium ná de Big Bang Kosmische straling – Stroom deeltjes met gigantische energie (en snelheid) – Doorheen het interstellaire medium – Botsen met aarde stroom deeltjes Ín kosmische straling gebeuren kernreacties – Fusie: 4He (ISM) + 4He (kosmische straling) 7Li + 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 10 Evolutie van hoeveelheid lithium in het heelal 11 Aantal lithiumatomen / aantal waterstofatomen voorspeld waargenomen 1 100 miloen Leeftijd van het heelal (miljarden jaar) 1.5 2 1 3 5 9 Vandaag 1 Meteorieten 1 miljard Big Bang 1 10 miljard 1 100 miljard 1 1000 000 1 100 000 Oude sterren 1 10 000 1 1000 1 100 IJzergehalte (zon = 1) 1 10 1 Jonge sterren 12 De afbraak van lithium 13 Lithium in sterren Lithium uit het interstellaire medium wordt opgenomen in sterren Lithium ondergaat kernreacties in het inwendige: “lithiumverbranding”: 7Li + p 8Be 2 4He 6Li + p 7Be + e 7Li Ster als de zon: binnenste 70% “normale” kernreacties Die breken het lithium af tot helium... Dat kan gebeuren bij vrij lage temperatuur: vanaf 2,5 miljoen graden Ster zoals de Zon Zien we daar ook iets van aan het oppervlak? Lithiumverbranding gebeurt binnenin de ster Buitenkant in evenwicht (hoofdreeksster > 1,2 Mzon): Buitenlagen liggen stil (“stralingsevenwicht”) Lithium = lithium bij geboorte Buitenkant convectief (gele, rode reus, hoofdreeksster < 1,2 Mzon): Buitenlagen turbulent Lithiumverbranding binnenin Transport van materie Mogelijk minder lithium aan oppervlak 14 Lithiumverbranding in sterren: “hot bottom burning” 15 Rode reus, 1 MZon convectie 1. 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 Lithiumverbranding in sterren: materieverlies 16 Zware ster: massa > 25 MZon na enkele miljoenen jaar 1. Convectieve kern Waterstof Helium Lithium Helium Alle lithium vernietigd 2. Materieverlies 3. Oppervlak Sterrenwind blaast snel Lithiumloze materie aan buitenkant weg oppervlak Lagen met nucleaire Lithiumgehalte oppervlak daalt plots verbranding oppervlak Lithiumloze materie oppervlak 17 Lithiumverbranding: in welke sterren? Lithium verdwenen MATERIEVERLIES Buitenkant in evenwicht Geen of weinig materieverlies HOT BOTTOM BURNING Lithium deels tot volledig verdwenen Oud Jong Lithium intact Convectieve buitenkant, maar géén hot bottom burning Lithium intact 18 Lithium in sterren: de waarnemingen Hoe lithium vinden in sterren? Spectrum: specifieke spectrale lijnen vooral dubbele spectraallijn bij 670,8 nm (rood) Ster Zon Ster 19 # Li / # H Zonnestelsel (meteorieten) Big Bang Aantal sterren Lithium in rode reuzen 20 21 Lithium in jonge sterren (Pleiaden) # Li / # H 1/ 1/ 1/ Convectie minder efficiënt 1 miljard 10 miljard 100 miljard Convectie zeer efficiënt 22 Lithium in ijzerarme lichte sterren 1982 Het “Spite”plateau 23 Lithium in ijzerarme lichte sterren 1982 Het “Spite”plateau François Spite Monique Spite Observatoire de Meudon 24 Lithium in ijzerarme sterren en de Big Bang ? Spiteplateau = lithium na Big Bang (‘primordiaal’) 1982 2.5 Het “Spite”plateau Theorie voorspelt 1/ 2 miljard (drie keer meer!) Waar is al dat lithium naartoe? 1/ 2.0 10 miljard A(Li) # Li / # H 1/ 6,3 miljard 1.5 1/ 1.0 −3.5 100 miljard Nog ouder −3.0 [Fe/H] 1/ 1000 IJzergehalte (Zon = 1) −2.5 −2.0 1/ 100 Zeer oud Voorbij het Spiteplateau: nóg ijzerarmere sterren... Waar is al dat lithium naartoe? Theorie voorspelt 1/ 2 miljard (150 keer meer!) # Li / # H 1/ 10 miljard 1/ 100 miljard 1/ 1000 miljard 1 /1 000 000 1/ 100 000 1/ 10 000 IJzergehalte (Zon = 1) 1/ 1000 25 26 Lithium in de Zon Vergelijk: # Li / # H: 1/90 miljard # Li / # H 1/ 1/ 1/ Big Bang: 1/2 miljard Geboorte zonnestelsel: 1/550 miljoen Convectie minder efficiënt 1 miljard 10 miljard 100 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 Samengevat: het lithiumprobleem Waar is al dat lithium naartoe? Aantal lithiumatomen / aantal waterstofatomen 1. IJzerarme sterren sterren bevatten 1minder lithium dan wat 100 miloen voorspeld is bij de Big Bang 1 Vandaag Meteorieten 1 miljard Big Bang Spiteplateau 1 10 miljard 1 100 miljard Zon 1 1000 000 1 100 000 1 10 000 Oude sterren 1 1000 1 100 IJzergehalte (zon = 1) Waar is al dat lithium naartoe? 1 10 1 Jonge sterren 2. Aan het oppervlak van de Zon is bijna alle lithium vernietigd, alhoewel er geen hot bottom burning is 28 Oplossingen voor het lithiumprobleem 29 De Zon: lithium en leeftijd # Li / # H 1/ 1/ 1/ 1/ 1 miljard Sterren zoals de Zon maar met verschillende leeftijd Lithium wordt langzaam vernietigd 10 miljard 100 miljard Zon 1000 miljard Leeftijd ster (miljard jaar) De Zon: Waar is de temperatuur hoog genoeg? Convectieve buitenkant Temperatuur bodem convectieve zone Lithiumverbranding Temperatuur (K) Lithiumverbranding Afstand tot het centrum (oppervlak = 1) 30 De Zon: extra opmenging en hot bottom burning Convectieve buitenkant Temperatuur bodem convectieve zone Zone met langzame menging (duizenden jaar) Vb. door differentiële rotatie: lagen schuren langs elkaar Lithiumverbranding Temperatuur (K) Lithiumverbranding Afstand tot het centrum (oppervlak = 1) 31 De Zon: extra opmenging en hot bottom burning 32 De Zon: meer opmenging? Theoretische modellen 33 Big Bang productie van lithium 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 34 Contractie nieuwgeboren sterren naar de hoofdreeks Tijdens contractie: convectieve zone Lage massa (< 0,6 Mzon: helemaal convectief! Dus… Hot-bottom-burning mogelijk Evenwicht Binnenkant convectief Binnenkant in evenwicht Convectief 35 HBB bij pas geboren sterren (nog aan het samentrekken) Binnenkant in evenwicht Klein deel convectief Bijna helemaal convectief Fractie overblijvend lithium 36 De evolutie van lichte sterren tijdens contractiefase 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 # Li / # H 1/ 1 miljard 1/ 10 miljard T 1/ 100 miljard Li/H Leeftijd (Milj j) Aanvoer lithiumrijke materie via accretieschijf 37 Extra menging + accretie in samentrekkende sterren Spite 1/ 1 miljard 1/ 100 miljard 1/ 1000 miljard # Li / # H 1/ 10 miljard 1/ 10 miljard 1/ 100 miljard 1/ 1000 miljard Leeftijd (Milj j) Reproduceert vrij goed het Spiteplateau 38 39 Conclusies Het lithiumprobleem 1. 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 40 41 Dank u
