Почему Большой взрыв не привел к образованию более тяжелых элементов?

Я думаю, что ваш мыслительный процесс ошибочен в том смысле, что вы предполагаете, что при резком повышении температуры вы гарантированно получите тяжелые элементы. Как бы странно это ни звучало, это не так (особенно во время нуклеосинтеза Большого взрыва (BBN)) по нескольким причинам. На самом деле, если вы возьмете звезду, состоящую только из водорода, и сделаете ее сверхновой, вы не получите тяжелых элементов, которые вы видите в современных звездах, превращающихся в сверхновые.

Временная шкала BBN

Один важный момент, который следует учитывать, заключается в том, что эра BBN рассчитана всего на ~ 20 минут. Это не очень много времени для формирования элементов. Конечно, сверхновые появляются мгновенно, но там происходят и другие вещи, о которых я расскажу через секунду. Главное здесь в том, что сплавление требует времени, а 20 минут — не так много времени для образования тяжелых элементов.

Дейтерий

Чтобы получить тяжелые элементы, нужно до них дорасти. Вы не можете просто соединить 50 протонов и 50 нейтронов и получить олово. Итак, первый шаг — столкновение протона и нейтрона, чтобы получить дейтерий, но здесь вы уже сталкиваетесь с проблемой, известной как узкое место по дейтерию. Как оказалось, огромные температуры на самом деле (и несколько парадоксально) препятствуют созданию дейтерия. Это в основном потому, что дейтрон в конечном итоге будет иметь столько энергии, что сможет преодолеть энергию связи (а дейтерий имеет довольно низкую энергию связи, поскольку в нем всего два нуклона) и, вероятно, снова распадется. Конечно, учитывая плотность и температуру, вы все еще можете получить хорошее количество дейтерия просто силой воли, но не так много и не с той скоростью, которую вы ожидаете в противном случае. Еще один момент, из-за которого дейтерий образуется реже, чем вы могли бы наивно ожидать, заключается в том, что отношение протонов к нейтронам до BBN было около 7:1 из-за того, что протон был более благоприятным для создания, поскольку он имеет немного меньшую массу. Таким образом, у 6 из 7 протонов не было соответствующего нейтрона, с которым можно было бы соединиться, и им приходилось ждать, пока сначала сформируется дейтерий, прежде чем он мог бы соединиться с чем-либо.

Тритий, гелий, литий, о боже!

Затем дейтерий является катализатором для формирования всех следующих стадий частиц в вашем супе. Отсюда вы можете бросить их вместе с другими вещами, чтобы получить$^3\mathrm{He}$,$^3\mathrm{H}$, и$^4\mathrm{He}$. Как только у вас будет достаточно изотопов дейтерия, трития и гелия, вы сможете начать производить литий и, если повезет, немного бериллия.

К бору и дальше

Но теперь вы снова сталкиваетесь с узким местом, и еще более серьезным, чем узкое место с дейтерием. Вы не можете легко перейти к более тяжелым элементам с тем, что у вас есть под рукой. Следующая цепочка синтеза, и то, как это делают звезды, — это тройной альфа-процесс, который помогает формировать углерод, но чтобы выполнить эту цепочку и создать достаточное количество углерода, вам потребуется много времени. А у нас всего 20 минут! У нас просто нет времени для образования углерода, необходимого для продвижения по циклу термоядерного синтеза. Как я намекнул в начале, по этой причине звезды с чистым водородом также не будут производить тяжелые элементы в сверхновых. Они могут производить тяжелые элементы сейчас, потому что у них были миллиарды лет до события сверхновой, чтобы создать базовое количество углерода, азота, кислорода и т. д., которые могут помочь в процессах синтеза тяжелых элементов.

Итак, у вас нет времени следовать тройному альфа-процессу и производить углерод — как насчет других процессов? Конечно, температуры достаточно высоки, чтобы можно было использовать различные методы синтеза, не встречающиеся в звездах. Ну нет. Вы даже не можете разбить много$\mathrm{He}$или же$\mathrm{Li}$чтобы получить действительно тяжелые элементы из-за того факта, что тяжелые ядра стабильны только в том случае, если в них намного больше нейтронов, чем протонов. И мы уже говорили, что на раннем этапе был большой дефицит нейтронов, так что есть шанс, что у вас будет достаточно нейтронов, чтобы столкнуться вместе, чтобы получить, скажем,$^{112}\mathrm{Sn}$(это олово с 62 нейтронами), довольно мал. Более того, вы даже не можете пытаться пропустить углерод, сделав что-то немного тяжелее, или создать что-то промежуточное между литием и углеродом. Опять же, это из-за проблем со стабильностью. Так что, не имея других вариантов, вы должны стрелять в углерод после лития, и, как указано выше, у вас просто нет на это времени.

TL;DR

В целом, BBN ограничен получением только лития из-за ограниченного времени, соотношения протонов и нейтронов и узких мест синтеза, которые замедляют процесс. Все это вместе дает около 75%$^1\mathrm{H}$, ~25%$^4\mathrm{He}$, ~0,01%$^2\mathrm{H}$и$^3\mathrm{He}$и следовые количества$\mathrm{Li}$.