Store litiummengder oppdaget i NGC 7789

Av Erik Tronstad

Når en stjerne er blitt en oppblåst rød kjempe, har den brukt opp det meste av hydrogenet i kjernen og begynt å forbrenne helium og andre lette grunnstoffer. Stjernen har også brukt opp sitt lille forråd av litium, et sølvhvitt metall som er så sjeldent i naturen at astronomene bruker det i kartleggingen av stjerners struktur og utvikling. Dette er i hvert fall det røde kjemper antas å gjøre.

På et møte i American Astronomical Society i Tucson i januar 1985 la Catherine A. Pilachowski ved Kitt Peak National Observatory fram resultater av målinger av litiuminnholdet i den gamle stjernehopen NGC 7789. Den ble dannet for omtrent 1,5 milliarder år siden og ligger i en avstand av rundt 7200 lysår. Noen av de røde kjempestjernene i NGC 7789 har 10 ganger så mye litium som røde kjemper utenfor hoper. Denne uvanlige litiummengden betyr at de røde kjempestjernene i NGC 7789 ikke oppfører seg slik «normale» røde kjemper gjør. Kanskje forbruker de ikke litium så effektivt, eller litium produseres på en eller annen måte av kjernereaksjonene i disse stjernene. En annen mulighet er at overflatene påvirkes av ledsagerstjerner og at disses gravitasjonsfelt kontrollerer dybden på laget i dem hvor litium blandes.

En av de få direkte observasjoner astronomer kan gjøre for å studere dynamiske prosesser i fjerne stjerners indre, er hvordan litium fjernes. I denne prosessen «fjernes» litium når materiale fra stjernens overflate blandes i dens varme indre. Et konveksjonslag under overflaten sørger for å frakte materialet ned til områder med temperaturer på flere millioner grader, mer enn nok til at litium omgjøres til andre grunnstoffer. Mange kjempestjerner har et hydrogenskall hvor fusjonsreaksjoner foregår, rundt en heliumkjerne hvor temperatur og trykk er for lave til at tilsvarende reaksjoner har startet der. Pilachowski opplyser at «når slike blandingsområder dannes, ser man mindre og mindre litium. Når så stjernen forlater hovedserien og utvikler seg til en kjempestjerne, avtar litiummengden sterkt. Mengden med litium i kjempestjerner burde derfor være for liten til at litium skulle kunne observeres.»

I 1984 begynte Pilachowski og medarbeiderne hennes å lete etter litium i NGC 7789 uten at de ventet å finne noe. De fant imidlertid like store relative mengder litium som det i gjennomsnitt er i Universet, omtrent ett litiumatom for hver én milliard hydrogenatomer. Pilachowski har satt fram flere mulige forklaringer på dette. Den første er at stjernene i hopen av en eller annen grunn alt fra starten hadde mer litium enn vanlig i Universet. Gruppen har imidlertid eliminert denne muligheten ved å observere litiummengden i tidlige hovedseriestjerner i NGC 7789. En annen mulighet er at enslige kjempestjerner bruker opp sitt litium raskere enn kjemper i åpne hoper. Pilachowski sier imidlertid at «vi vet ikke hvordan de kan gjøre dette. Problemet med enslige kjempestjerner er at siden de ikke er i en hop, vet vi egentlig ikke hvor langt borte de er, hvor gamle eller massive de er.»

Den mest lovende hypotesen er at dobbeltstjerner utøver en viss påvirkning på kjempestjerner og kontrollerer hvor raskt disse stjernene forbruker sitt litium. Det kan da tenkes at hopen NGC 7789 inneholder uvanlig mange dobbeltstjernesystemer.

Som en siste hypotese nevner Pilachowski de såkalte «blå avvikerne», stjerner som av en eller annen grunn forblir på hovedserien lenge etter at de skulle ha utviklet seg mot kjempegrenen i Hertzsprung-Russell-diagrammet. Hun spekulerer på om dette kan skyldes en eller annen form for masseoverføring eller forsinket utvikling i dobbeltstjernesystemer.

Grunnen til interessen for litium er ifølge Pilachowski at dette grunnstoffet er meget følsomt for den rådende temperatur og dermed en god indikator på temperaturen i en stjernes indre. Dette gir igjen opplysninger om eventuelle konveksjonslag i stjernene.

Litiummengden har imidlertid også kosmologisk interesse. «Vi vet ikke hvordan Universet produserer litium,» sier Pilachowski. «Vi vet at noe litium må ha blitt produsert under Big Bang og noe ved vekselvirkning med kosmisk stråling. Dette gir oss to litiumisotoper, litium 6 og 7, fra Big Bang og litium 6 fra kosmisk stråling. Også i novaer kan det dannes noe. I stjerner ser vi litium 7.»

Den litiummengden som skyldes Big Bang legger sterke begrensninger på kosmologiske teorier om Universet er åpent eller lukket. (Et åpent univers vil fortsette å utvide seg i all framtid, mens i et lukket univers vil utvidelsen før eller senere stoppe og Universet vil trekke seg sammen igjen.) Hvis det finnes mye litium, betyr det at partikkeltettheten til å begynne med i Big Bang var høy nok til å lukke Universet. Litiummengden som observeres er imidlertid så liten at den gir et åpent univers. For at Universet skal være lukket, må det inneholde 20 ganger mer litium enn det man hittil har observert.

Pilachowski sier det ennå er et åpent spørsmål hvor mye litium som ble dannet under Big Bang og hvor mye som siden er produsert. Hun viser til undersøkelser foretatt av franske astronomer ved Mauna Kea Observatory på Hawaii som fant et relativt litiuminnhold i metallfattige dvergstjerner som var 10 ganger de kosmiske mengdene. Dette stemmer bra med eldre stjerner Pilachowski og medarbeiderne hennes observerte i NGC 7789.