Нуклеосинтез Большого взрыва

Гамов, Альфер (Alpher) и Герман (Herman) предложили горячий Большой взрыв в качестве средства для получения всех элементов. Однако, нехватка стабильных ядер с атомными весами 5 или 8 свело Большой взрыв к производству водорода и гелия. Бэбидж (Burbidge), Фоулер (Fowler) и Хойл (Hoyle) разработали процессы нуклеосинтеза, происходящие в звездах, где намного большая плотность и длительные периоды времени позволяют происходить процессу с участием трех альфа-частиц (He+He+He -> C) и создавать элементы тяжелее гелия. Однако нуклеосинтез Большого взыва не мог произвести достаточно гелия. Сегодня мы знаем, что происходят оба процесса: большая часть гелия появилась при Большом взрыве, а углерод и более тяжелые элементы произведены в звездах. Большая часть лития и бериллия получена при столкновениях космических лучей с частью атомов углерода, созданного звездами.

В течении первых минут существования Вселенной происходили следующие процессы:

Менее чем 1 секунду после Большого взрыва, реакции, показанные справа, поддерживают соотношение нейтроны:протоны в тепловом равновесии. Примерно через 1 секунду после Большого взрыва, температура становится немного ниже, чем энергетический эквивалент различия масс нейтрона и протона, эти слабые реакции не поспевают за скоростью расширения Вселенной, и соотношение нейтронов и протонов замораживается на величине около 1:6.
Через 1 секунду единственной реакцией, которая ощутимо изменяет количество нейтронов, является распад нейтронов, показанный справа. Период полураспада нейтрона составляет 615 секунд. Без дальнейших реакций, сохраняющих нейтроны внутри стабильных ядер, Вселенная состояла бы из одного водорода.
Реакцией, сохраняющей нейтроны, является образование дейтеронов. Дейтерон - это ядро дейтерия, которое является тяжелым изотопом водорода (H²). Эта реакция экзотермична и имеет энергетический эффект в 2.2 МэВ, однако из-за того, что фотоны в миллиард раз более многочислены, чем протоны, реакция не идет до тех пор, пока температура Вселенной не упадет до 1 миллиарда Кельвинов или kT = 0.1 МэВ, через примерно 100 секунд после Большого взрыва. К этому времени отношение нейтронов к протонам составляет около 1:7.
Поскольку произошло формирование дейтеронов, то происходят дальнейшие реакции по созданию ядер гелия. Образуются как легкий гелий (He³), так и нормальный изотоп гелия (He⁴), наряду с радиоактивной формой водорода (H³) тритием. Эти реакции могут происходить с участием фотона, как показано справа. Поскольку ядра гелия связаны теснее на 28 МэВ, чем дейтероны, а температура уже упала до kT = 0.1 МэВ, то эти реакции идут лишь в одном направлении.
Приведенные справа реакции также создают гелий и обычно проходят быстрее, поскольку они не включают такой относительно медленный процесс, как излучение фотона.
На рисунке справа показан новый эффект. Со временем, температура становится настолько низкой, что электростатическое отталкивание дейтеронов приводит к остановке реакций. Соотношение дейтероны:протоны в момент остановки реакций очень мало, и по существу обратно пропорционально общей плотности протонов и нейтронов. Почти все нейтроны во Вселенной в конечном итоге оказываются внутри обычных ядер гелия. При соотношении нейтрон:протон = 1:7 на момент образования дейтеронов, 25% массы оказываются гелием.

Справа показаны зависимости массовых долей различных изотопов от температуры и времени. Максимум дейтерия достигается примерно на 100 секунде после Большого взрыва, а затем быстро исчезает в ядрах гелия. Очень небольшие количества ядер гелия сливаются в более тяжелые ядра, создавая небольшое количество изотопа Li⁷, происходящего от Большого взыва. Этот график является исправленной версией графика с этой LBL страницы. Заметим, что H³ распадается до He³ с периодом полураспада в 12 лет, поэтому не существует H³, выживших до настоящего времени, а Be⁷ распадается до Li⁷ с периодом полураспада в 53 дня и также не мог сохраниться.

Приведенный выше график показывает эволюцию во времени содержания легких элементов для случая чуть более высокой плотности барионов. Этот рисунок основан на данных от [ Burles, Nollett & Turner (1999) ]. Асимптотическое отношение D/H [по числу ядер] в этих расчетах составляет 1.78*10^-5, что соответствует _Bh² = 0.029. Наилучшая [ текущая оценка ] равна _Bh² = 0.0214 ± 0.002 по отношению D/H, измеренному в системе линий поглощения квазара, и _Bh² = 0.0224 ± 0.001 из амплитуд звуковых пиков в угловом энергетическом спектре анизотропии реликтового излучения.

Распространенности дейтерия, He³, He⁴ и Li⁷ зависят от единственного параметра - от текущей плотности обычной материи, состоящей из протонов и нейтронов: барионная материя. Приведенный справа график показывает предсказываемое содержание в зависимости от барионной плотности для этих легких изотопов, показанных кривыми, наблюдаемая распространенность представлена горизонтальными прямыми, а установленная барионная плотность изображена вертикальной полосой. Единственная величина барионной плотности соответствует одновременно 4 распространенностям. Совпадение неплохое, но не полное. Имеется [полемика] о действительном первородном содержании гелия во Вселенной: 23.4 или 24.4 процентов по массе, причем обе группы претендуют на точность в 0.2 процента, поэтому это расхождение между мнениями двух лагерей набюдателей составляет 5 сигм (среднеквадратичных отклонений). А новое измерение время жизни свободных ненйтронов на 6 сигм меньше, чем предыдущая мировая оценка, что дает [новое предсказание] распространенности гелия в 24.6 процента. Наблюдаемая распространенность лития в звездах оказывается меньше, чем предсказываемое содержание лития, приблизительно в 2 раза. Однако звезды разрушают литий, поэтому трудно оценить, является ли это различие существенным.

Другие странички о нуклеосинтезе Большого взрыва: [LBL], [Martin White].