Литий и водород под квантовым микроскопом: ключ к составу старейших звезд

Учёные из Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена исследовали, как атомы и ионы лития сталкиваются с атомами и ионами водорода — и как в результате этих столкновений литий может менять своё состояние, превращаясь из иона в нейтральный атом в разных возбуждённых состояниях. Работа опирается на точные квантово-химические расчёты строения молекулы LiH — соединения лития и водорода, которое на мгновение образуется при сближении частиц.

Почему это важно за пределами лаборатории? Водород — самый распространённый элемент во Вселенной, поэтому любые процессы с его участием напрямую влияют на то, как мы понимаем состав звёзд. Литий здесь играет особую роль: у самых старых звёзд его наблюдается примерно в три раза меньше, чем предсказывают расчёты первичного нуклеосинтеза — процесса образования химических элементов в первые минуты после Большого взрыва. Эта загадка получила название «проблемы первичного лития», и чтобы приблизиться к её разгадке, нужны надёжные данные о том, как литий взаимодействует с водородом в звёздных атмосферах.

Авторы решали вторую, «динамическую» часть задачи: как именно ведут себя ядра лития и водорода, когда частицы сближаются, сталкиваются и разлетаются. Для этого использовали два независимых строгих квантовых метода — метод волновых пакетов, который описывает процесс во времени, и усовершенствованный метод Нумерова, который описывает стационарную картину рассеяния. Первый метод вычислительно тяжелее, поскольку требует решения уравнений, зависящих и от времени, и от расстояния между ядрами, но зато устойчивее в расчётах; второй проще, но требует аккуратной математической перенормировки, чтобы избежать ошибок.

Результаты показали, что оба метода хорошо согласуются между собой и с данными других теоретических групп и экспериментами — особенно для тех процессов, которые дают наибольший вклад в общее сечение неупругих столкновений. Речь идёт о переходах, при которых ион лития захватывает электрон от отрицательного иона водорода и превращается в возбуждённый атом лития в состояниях 3s, 3p или 3d. Именно эти каналы определяют основную часть всего процесса, а их сечения превышают остальные в десятки и сотни раз. Константы скоростей для этих процессов, рассчитанные обоими методами, хорошо совпали с экспериментальными измерениями.

Отдельно стоит отметить, что методом Нумерова впервые удалось построить полную «теплокарту» констант скоростей при температуре 6000 кельвинов — таблицу, которая показывает, насколько быстро протекают все возможные неупругие процессы: взаимная нейтрализация, образование ионной пары, возбуждение и девозбуждение атомов лития. Такие данные напрямую применимы в моделях звёздных атмосфер, где условия далеки от локального термодинамического равновесия, — а значит, помогают точнее воспроизводить спектры звёзд и определять их химический состав.

Главный вывод работы: оба квантовых метода — надёжные и равноправные инструменты для получения точных атомных данных, и их совместное использование позволяет перепроверять результаты там, где расчёты особенно сложны. Это не только приближает решение проблемы первичного лития, но и даёт астрофизикам более прочную основу для интерпретации наблюдений самых старых звёзд нашей Галактики.

Результаты работы опубликованы в журнале «Научные труды Института астрономии РАН».

Изображение на обложке: разработано Magnific