Учёные изучили столкновения атомов лития и водорода для расчётов состава старых звёзд

Расчёты столкновений лития и водорода дали новые точные атомные данные для моделей звёздных атмосфер. Они нужны, чтобы разобраться в загадке лития у старейших звёзд Галактики.

Исследователи из Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена изучили, как атомы и ионы лития сталкиваются с атомами и ионами водорода. В ходе таких столкновений литий может переходить из ионного состояния в нейтральный атом в разных возбуждённых состояниях. Работа опирается на точные квантово-химические расчёты молекулы LiH, которая на мгновение образуется при сближении частиц.

Водород — самый распространённый элемент во Вселенной, поэтому процессы с его участием влияют на то, как определяют состав звёзд. У самых старых звёзд лития примерно в три раза меньше, чем предсказывают расчёты первичного нуклеосинтеза — процесса образования элементов в первые минуты после Большого взрыва. Эту загадку называют «проблемой первичного лития».

Авторы использовали два независимых квантовых метода: метод волновых пакетов, который описывает процесс во времени, и усовершенствованный метод Нумерова, который описывает стационарную картину рассеяния. Первый метод вычислительно тяжелее, но устойчивее в расчётах. Второй проще, но требует аккуратной математической перенормировки, чтобы избежать ошибок.

Оба метода хорошо согласуются между собой, с данными других теоретических групп и с экспериментами, особенно для процессов, которые дают наибольший вклад в общее сечение неупругих столкновений. Речь о переходах, при которых ион лития захватывает электрон от отрицательного иона водорода и становится возбуждённым атомом лития в состояниях 3s, 3p или 3d. Их сечения превышают остальные в десятки и сотни раз. Константы скоростей, рассчитанные обоими методами, хорошо совпали с экспериментальными измерениями.

Методом Нумерова впервые построена полная «теплокарта» констант скоростей при температуре 6000 кельвинов. Она показывает, как быстро идут все возможные неупругие процессы: взаимная нейтрализация, образование ионной пары, возбуждение и девозбуждение атомов лития. Такие данные применимы в моделях звёздных атмосфер, где условия далеки от локального термодинамического равновесия, и помогают точнее воспроизводить спектры звёзд и определять их химический состав.

По выводу авторов, оба квантовых метода надёжны и равноправны, а их совместное использование позволяет перепроверять результаты там, где расчёты особенно сложны. Результаты опубликованы в журнале «Научные труды Института астрономии РАН».

Поиск