宇宙锂问题的研究

发布时间：2017-03-29 15:26

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【摘要】：根据大爆炸理论人们可以预言早期宇宙产生的D,3He,4He和7Li的丰度。理论预测的D,3He,4He丰度值与天文观测值符合的很好,但是7Li的预测值却是观测值的3倍,此即宇宙锂问题。为了解决这个悬而未决的问题,人们投入巨大的精力,但是传统核物理方面的努力似乎是徒劳无功。这一长期存在的问题促使人们引入各种各样的奇异宇宙模型来理解我们早期的大爆炸核合成图像,例如引入标准模型外的新粒子和作用。本论文第一个工作是研究非广延统计对大爆炸轻元素丰度的影响。通常人们认为宇宙初期等离子体满足经典的麦克斯韦-玻尔兹曼速度分布。然而,在极端高温的复杂天体环境下,这一分布是否成立值得研究。在非广延统计(Tsallis统计)构架内,我们利用广义速度分布来描述原初等离子体,进而研究其对大爆炸轻元素丰度的影响。广义分布是由非广延参数q来刻画,当q=1时,非广延速度分布则退化为经典的麦克斯韦-玻尔兹曼分布。我们经研究发现当非广延参数1.063q1.082时,D,4He和7Li的丰度预测值与天文观测值符合的都很好。因此,我们首次在标准模型框架下找到了一种解决宇宙锂丰度问题的新方法。论文第二个工作是对7Be(n,α)4He反应率的研究。7Be(n,α)4He作为大爆炸核合成中破坏7Be第二重要的反应,其热核反应率迄今都没有进行过很好的研究。当前BBN模拟以及反应率数据库采用的依旧是1969年首次由Wagoner估算的反应率。然而,该反应率只是对直接反应贡献的一个简单估计,后来的实验表明共振贡献也应包括在内。我们基于已有的4He(α,n)7Be和4He(α,p)7Li截面数据,利用电荷对称原理和细致平衡原理,重新计算了7Be(n,α)4He的反应率。新的反应率只有Wagoner的约1/10。我们所作大爆炸核合成模拟表明,相对于采用Wagoner反应率,采用更新后的反应率仅仅会对7Li的产额有1.2%的增量,这使得锂问题变得更加糟糕。另外,模拟显示新的反应率使得该反应在破坏7Be的作用上从第二位降到第三位,而7Be(d,p)24He反应上升到第二位。值得注意的是,在非标准BBN模型中,7Be(n,α)4He反应率对于解决锂丰度问题很重要,需要进一步研究。
【关键词】：大爆炸核合成 反应率 非广延统计 原初丰度 宇宙锂问题
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（近代物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P148
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 目录10-13
• 第一章 引言13-22
• 1.1 宇宙锂问题的研究背景和意义13-15
• 1.2 ~7Li问题的研究现状15-19
• 1.2.1 天文观测可能存在问题15-16
• 1.2.2 核反应率不精确16-17
• 1.2.3 标准模型外的解17-19
• 1.3 本论文思路及研究方法19
• 1.4 论文结构安排19-22
• 第二章 宇宙演化22-33
• 2.1 标准的宇宙模型22-27
• 2.1.1 宇宙大尺度的均匀性和各向同性22-23
• 2.1.2 宇宙膨胀23-24
• 2.1.3 Robertson-Walker度规24-25
• 2.1.4 爱因斯坦引力场方程25
• 2.1.5 宇宙膨胀动力学方程25-27
• 2.2 早期宇宙的热演化27-33
• 2.2.1 早期宇宙的成份27-28
• 2.2.2 宇宙的演化简史28-29
• 2.2.3 粒子退耦29-30
• 2.2.4 微波背景辐射的发现30-33
• 第三章 原初核合成33-49
• 3.1 原初核合成简介33-36
• 3.1.1 T ≥1 Me V阶段33-34
• 3.1.2 T =0.3-0.1 Me V阶段34-36
• 3.2 原初核合成模型36-41
• 3.2.1 基本概念36-37
• 3.2.2 膨胀动力学方程37-38
• 3.2.3 重子守恒38
• 3.2.4 宇宙成电中性38
• 3.2.5 能量守恒38-40
• 3.2.6 大爆炸网络方程40-41
• 3.3 基本物理输入41-43
• 3.3.1 宇宙热动力学量41-42
• 3.3.2 η，初始丰度值，核反应率42-43
• 3.4 网络方程数值解法43-49
• 3.4.1 欧拉法43
• 3.4.2 刚性微分方程组43-44
• 3.4.3 牛顿辛普森迭代法44-46
• 3.4.4 统计平衡解法46-49
• 第四章 非广延统计49-60
• 4.1 玻尔兹曼-吉布斯熵49-50
• 4.2 非广延统计50-54
• 4.2.1 Tsallis熵51-53
• 4.2.2 推广的Khinchin公理53-54
• 4.3 非广延分布函数54-58
• 4.3.1 非广延分布函数形式的导出54-58
• 4.4 非广延统计在天体环境中应用58-60
• 第五章 天体反应率60-76
• 5.1 经典分布下的反应率60-64
• 5.1.1 非共振反应(直接反应)61-63
• 5.1.2 共振反应63-64
• 5.2 非广延分布下的天体反应率64-76
• 5.2.1 非广延分布下反应率的形式64-65
• 5.2.2 带电粒子反应65-68
• 5.2.3 中子反应68-70
• 5.2.4 非广延分布下的逆反应率70-76
• 第六章 宇宙锂丰度问题及非广延分布解决方案76-94
• 6.1 恒星化学丰度76-79
• 6.1.1 谱线的等值宽度77-78
• 6.1.2 恒星大气模型78-79
• 6.2 大爆炸轻元素丰度的观测与理论预测79-86
• 6.2.1 BBN遗留核素的观测80-84
• 6.2.2 BBN轻元素丰度理论预测84-86
• 6.2.3 宇宙锂问题86
• 6.3 宇宙锂问题的非广延解86-94
• 6.3.1 BBN中重要的核反应87-88
• 6.3.2 重要反应的核反应截面88-91
• 6.3.3 ~7Li问题新解决方案91-94
• 第七章 ~7Be(n,α)~4He天体反应率的新研究94-104
• 7.1 ~7Be(n,α)~4He反应率的研究现状94-96
• 7.1.1 Wagoner反应率的来源95-96
• 7.2 新的7Be(n,α)4He反应率96-102
• 7.2.1 基本思想96-98
• 7.2.2 ~7Be(n,α)~4He反应截面的导出98-102
• 7.3 大爆炸模拟102-104
• 第八章 结论与展望104-106
• 8.1 结论104-105
• 8.2 展望105-106
• 参考文献106-119
• 发表论文119

【参考文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 吴开谡;天体相关的辐射俘获反应和s—过程网络方程及中子源研究[D];中国原子能科学研究院;2003年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 侯素青;大爆炸动力学方程的研究与计算[D];北京化工大学;2010年

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本文编号：274815