Если для образования более тяжелых атомов требуется большое давление, то почему мы говорим, что ранняя Вселенная была слишком горячей для образования атомов?

TL;DR: Ваш вопрос действительно должен спрашивать, почему нуклеосинтез Большого взрыва (BBN) не производит более тяжелые ядра (не об образовании атомов). Нет никакой фундаментальной причины, по которой BBN не мог бы производить ядра вплоть до железа, если бы Вселенная оставалась при достаточно высокой температуре достаточно долго; но поскольку BBN просуществовал всего 3 минуты, он мог подняться только так высоко в периодической таблице. Звезды добираются до Железа, потому что у них гораздо больше времени; кроме того, металличность увеличивается с течением истории Вселенной, поэтому более поздние поколения звезд получают «фору» по сравнению с более ранними). Чтобы выйти за пределы железа, вам нужен чрезвычайно сильный неравновесный процесс, который вы найдете в сверхновых и слияниях нейтронных звезд.

Здесь есть что распаковать.

Во-первых, давайте исключим из игры давление, так как я думаю, что это просто сбивает с толку, и сосредоточимся на температуре.

Во-вторых, есть разница между образованием атомов и образованием ядер . Цитата, которую вы приводите, касается образования атомов, но изображение, которое вы показываете, касается образования ядер.

Прежде чем идти дальше, давайте определимся с некоторыми терминами. Образование атомов (в космологии) называется рекомбинацией . Я думаю, причина этого названия в том, что электроны и протоны «объединяются», образуя атомы. Это плохое имя, так как атомы во Вселенной ранее не образовывались, поэтому ничего не перекомбинируется , но мы застряли в терминологии. Между тем образование ядер называется нуклеосинтезом . Нуклеосинтез можно далее разбить на область пространства-времени, где он происходит: первичный нуклеосинтез или нуклеосинтез Большого взрыва (BBN) , который происходил повсюду в очень ранней Вселенной (примерно от 10 секунд до трех минут после Большого взрыва); звездный нуклеосинтезпроисходит в ядрах звезд, когда Вселенная достаточно старая, чтобы звезды могли формироваться; а затем то, что я собираюсь назвать ядерным захватом нуклеосинтеза , как набор других процессов; в$s$-процесс ("медленный" процесс), происходящий в сверхновых, и$r$-процесс ("быстрый" процесс), который, как теперь полагают, происходит при столкновениях нейтронных звезд, - эти процессы происходят, когда некоторые звезды достигают конца своей жизни.

Причина, по которой рекомбинация не может произойти до тех пор, пока Вселенная не остынет до достаточно низкой температуры, заключается в том, что водород имеет энергию связи$13.6\ {\rm eV}$. Если типичный фотон в первичной плазме имеет достаточно энергии для ионизации водорода, то водород не образуется (я сосредоточился на водороде, поскольку на данном этапе большинство ядер были водородом). Можно подумать, что рекомбинация произойдет при температуре$kT=13.6\ {\rm eV}$, а на самом деле рекомбинация была около$3000\ {\rm K}$, для которого$kT=0.26\ {\rm eV}$! Причина в том, что количество фотонов во Вселенной значительно превышает количество барионов, поэтому для того, чтобы произошла рекомбинация, температура должна снизиться настолько, чтобы ионизация атома водорода происходила крайне редко, что объясняет огромное количество фотонов на каждый атом водорода. Водородное ядро.

Я думаю, что ваш вопрос также касается нуклеосинтеза. Эта история довольно запутанная; здесь я просто попытаюсь обобщить несколько основных моментов.

Во-первых, BBN длился около 3 минут (отсюда знаменитая книга Вайнберга «Первые три минуты»); она начинается, когда могут образовываться свободные нейтроны и протоны, и заканчивается, когда скорость ядерных реакций становится пренебрежимо малой. Эта временная шкала определяется скоростью расширения Вселенной; по мере расширения Вселенная охлаждается, и в течение трех минут охлаждается настолько, что процессы ядерного синтеза больше не являются термодинамически благоприятными. Шкала времени имеет решающее значение; BBN достигает нескольких «узких мест» процессов, которые очень редки и поэтому имеют очень небольшую скорость, что по существу не позволяет BBN производить ядра тяжелее лития. С другой стороны, время жизни звезды главной последовательности составляет около 10 миллиардов лет. Так что есть многобольше времени для нуклеосинтеза и образования более тяжелых элементов, чем в BBN.

Во-вторых, условия BBN и звездного нуклеосинтеза совершенно разные. В начале BBN Вселенная состояла из газа протонов и нейтронов, которые должны были слиться в водород и постепенно переходить в более тяжелые элементы. Между тем, было несколько (2-3) поколений звезд; каждое поколение подвергается ядерному синтезу и заселяет межзвездную среду тяжелыми элементами. Эти тяжелые элементы, в свою очередь, сливают будущие поколения звезд, которые не «начинают с нуля».

Наконец, даже в звездном нуклеосинтезе есть верхний предел возможностей синтеза. Ядра тяжелее железа имеют меньшую энергию связи, чем железо, и поэтому в тепловом равновесии имеют тенденцию диссоциировать и превращаться в железо. Следовательно, для образования ядер тяжелее железа должны вступить в действие неравновесные процессы. В этом заключается роль$s$-процесс и$r$-процесс, о котором я упоминал ранее. В случае сильного события, такого как вспышка сверхновой или слияние нейтронных звезд, ядра, выброшенные с очень высокой энергией, сливаются, образуют стабильные тяжелые ядра и покидают катаклизм, из которого они произошли, чтобы благополучно распространяться в космосе. Эти процессы отвечают за элементы, окрашенные в фиолетовый, зеленый и желтый цвет на вашей диаграмме.

Обобщить:

• BBN происходит примерно от 10 секунд до 3 минут после Большого взрыва и берет свободные протоны и нейтроны из ранней Вселенной и преобразует их в ядра водорода и гелия с небольшим количеством ядер, таких же тяжелых, как литий.
• Рекомбинация происходит намного позже, когда Вселенной около 380 000 лет, и относится к процессу, в котором способны образовываться атомы водорода, потому что Вселенная остыла до точки, когда у фотонов в космическом бульоне недостаточно энергии для ионизации водорода. .
• Звездный нуклеосинтез в течение нескольких поколений звезд берет первичный водород и гелий и производит более тяжелые ядра, вплоть до железа.
• Неравновесные процессы захвата нейтронов, такие как$s$-процесс и$r$-процесс, происходящий в катастрофических событиях, таких как сверхновые и слияния нейтронных звезд, и ответственный за образование ядер тяжелее железа.

С термодинамической точки зрения, именно поэтому температура используется в качестве оси для отображения Большого взрыва, можно смоделировать Вселенную как черное тело, по крайней мере, к тому времени, когда оно достигнет образования протона.

T на оси y - это температура, описывающая это излучение черного тела.

Излучение черного тела - это тепловое электромагнитное излучение внутри или вокруг тела, находящегося в термодинамическом равновесии с окружающей средой, излучаемое черным телом (идеализированным непрозрачным, неотражающим телом). Он имеет специфический спектр длин волн, обратно пропорциональный интенсивности, которые зависят только от температуры тела, которая для расчетов и теории считается однородной и постоянной.

Излучение, как видно здесь , в спектрах для звезд зависит от температуры, как видно на этом графике для температур звезд, где нуклеосинтез имеет высокую вероятность:

Но в Большом взрыве есть экспоненциальные температуры, как показано выше. Это означает, что энергия и импульс составляющих частиц таковы, а длины волн настолько коротки, что непрерывное рассеяние (взаимодействия при высоких энергиях в супе частиц и излучение черного тела) разрушает любые связанные состояния, которые могли бы образоваться с некоторой вероятностью. в хвостах распределения черного тела. Для образования ядерных связанных состояний нужны энергии и импульсы порядка мэв, ядерное связанное состояние. Только когда температура ББ достигает звездных температур, можно начинать сравнивать, и тогда непрерывному расширению не хватает плотности для создания более сложных атомов. Тогда именно роль гравитационного притяжения легких нуклонов создаст гравитационные ямы с достаточной силой для синтеза более тяжелых ядер.