Обилие легкого элемента нуклеосинтеза Большого взрыва

Отметим прежде всего, что дейтерий и$^3$Он на три порядка меньше, чем$^4$Он. Для$^7$Ли разница составляет около девяти порядков! Таким образом, характеристики этих элементов улучшены по сравнению с$^4$Он.

Чтобы понять, что происходит, важно иметь в виду следующую картину, описывающую реакции, происходящие во время BBN:

Основные особенности графа следующие:

1. В отличие от более легких ядер обилие$^4$Он относительно нечувствителен к барионной плотности. Обилие$^4$Он немного увеличивается с отношением барионов к фотонам.$\eta$. Это связано с тем, что в начале практически все доступные нейтроны блокируются.$^4$Его изобилие критически зависит от конкуренции между скоростями слабого взаимодействия и скоростью расширения Вселенной. Чем выше плотность нуклонов, тем раньше возникнет узкое место по дейтерию.$^\dagger$можно взломать. Поскольку в более ранние времена нейтронов больше,$^4$Он будет сделан. Это приводит к очень медленному росту с$\eta$.

2. С другой стороны, D и$^3$Содержание He уменьшается с барионным отношением к фотонам. Это связано с предыдущим пунктом: чем выше плотность нуклонов, тем больше D и$^3$Он сожжен в$^4$Он, оставив после себя меньше этих элементов.

3. Поведение$^7$Ли хитрее. В нижней$\eta$значения этого элемента синтезируется$^3$ЧАС$(\alpha,\gamma)^7$Li, но легко разрушаются при столкновениях с протонами. Следовательно, с увеличением барионно-фотонного отношения (однако сохраняя его в низком режиме$\eta<3$) разрушение$^7$Ли идет быстрее, и численность уменьшается. Однако при более высокой численности около$\eta>3$, литий в значительной степени косвенно синтезируется как берилий . Этот элемент с массой 7 получается в результате реакции$^3$Он$(\alpha,\gamma)^7$Быть. С$^7$Быть более крепко связанным, его труднее разрушить, чем$^7$Ли и обилие$^7$Быть увеличивается. Позже, когда во Вселенной станет прохладнее и начнут формироваться нейтральные атомы,$^7$Be захватит электрон и распадется на$^7$Ли.

Провал между ними вызван реакцией разрушения, включающей захват протона и его распад на две части.$^4$Он ядер.

$\dagger$Нуклеосинтез может начаться только после того, как энергия связи D (которая имеет самую низкую энергию связи около 2,2 МэВ) может быть нарушена. Для всех других ядер требуется трехчастное столкновение, если D еще не доступно. После образования D они немедленно перерабатываются в$^4$Он.

Обратите внимание, что содержание лития, наблюдаемое, в отличие от более легких ядер, при прямом наблюдении, не согласуется с теоретическим предсказанием, сделанным на основе барионной плотности, измеренной по реликтовому излучению.

Источник: Нуклеосинтез Большого взрыва: исследование первых 20 минут Дж. Стейгмана.

Я нашел эту ссылку для сюжета.

Прогнозируемое содержание дейтерия, гелия и лития зависит от плотности обычного вещества в ранней Вселенной, как показано на рисунке слева. Эти результаты показывают, что выход гелия относительно нечувствителен к содержанию обычного вещества выше определенного порога. Обычно мы ожидаем, что около 24% обычной материи во Вселенной будет состоять из гелия, образовавшегося в результате Большого взрыва. Это очень хорошо согласуется с наблюдениями и является еще одним крупным триумфом теории Большого взрыва.

Однако модель Большого взрыва можно проверить дальше. При точном измерении распространенности обычного вещества прогнозируемое содержание других легких элементов становится весьма ограниченным. Спутник WMAP может напрямую измерять плотность обычного вещества и находит значение 4,6% (±0,2%), обозначенное вертикальной красной линией на графике.

Это приводит к предсказанным содержаниям, показанным кружками на графике, которые хорошо согласуются с наблюдаемыми содержаниями.

Таким образом, очевидно, что кривые являются результатом теоретических расчетов, подтвержденных спутниковыми измерениями на окружностях.

Теперь ответом на вопрос «почему» становится «потому что именно это предсказывает теоретический расчет», и важно, чтобы он был проверен.

Это важная и подробная проверка нуклеосинтеза и еще одно свидетельство в поддержку теории Большого взрыва. Если бы результаты противоречили друг другу, это указывало бы на 1) ошибки в данных, 2) неполное понимание процесса нуклеосинтеза Большого взрыва, 3) непонимание механизмов, вызывающих флуктуации фонового микроволнового излучения, или 4) более фундаментальная проблема с теорией Большого Взрыва.

Можно рукой помахать, смотря как идут реакции:

Через секунду после Большого взрыва температура Вселенной составляла примерно 10 миллиардов градусов и была заполнена морем нейтронов, протонов, электронов, антиэлектронов (позитронов), фотонов и нейтрино. По мере охлаждения Вселенной нейтроны либо распадались на протоны и электроны, либо соединялись с протонами, образуя дейтерий (изотоп водорода). В течение первых трех минут существования Вселенной большая часть дейтерия объединилась в гелий. В то же время были произведены следовые количества лития.

Из этого сюжета

Почему содержание 3He и D уменьшается с увеличением доли барионов в фотонах, а содержание Li увеличивается?

Я предполагаю, что протоны / нейтроны все больше связываются с He, поэтому из них можно синтезировать меньше дейтерия и трития.

И что это за странный провал в изобилии лития?

Мы видим, что литий является конечным продуктом либо распада нестабильного 7Be, либо слияния трития с 4He. При конкурирующих цепочках наращивания нередко можно увидеть провал в 7Li из-за уменьшения одного пути (тритий, см. медленное увеличение He4 может сделать это).

В любом случае, нужно иметь точную модель для проверки индивидуального поведения.