Dlaczego Wielki Wybuch nie wytworzył cięższych pierwiastków?

Krótko po Wielkim Wybuchu temperatury spadły od temperatury Plancka. Po obniżeniu temperatur do 116 gigakelwinów nastąpiła nukleosynteza i powstały hel, lit i śladowe ilości innych pierwiastków.

Jeśli jednak temperatury były tak wysokie tuż po Wielkim Wybuchu, dlaczego nie produkowano znacznie cięższych elementów? 116 gigakelwinów jest oczywiście znacznie powyżej temperatury wymaganej do stopienia się pierwiastków takich jak węgiel i tlen. Ponadto, czy większość protonów w tych temperaturach nie powinna się stopić, pozostawiając Wszechświatowi głównie cięższe pierwiastki?

Myślę, że twój proces myślowy jest wadliwy, ponieważ zakładasz, że drastycznie zwiększając temperaturę, masz gwarancję otrzymania ciężkich pierwiastków. Choć może to zabrzmieć dziwnie, tak nie jest (szczególnie podczas nukleozntezy Big Bang (BBN)) z kilku powodów. W rzeczywistości, jeśli weźmiesz gwiazdę zawierającą tylko wodór i sprawisz, że stanie się supernową, nie dostaniesz ciężkich pierwiastków, takich jak w obecnych gwiazdach wchodzących w supernową.

Skala czasowa BBN

Jednym z głównych punktów do rozważenia jest to, że era BBN jest obliczana na około ~ 20 minut. To naprawdę niewiele czasu na tworzenie elementów. Jasne, supernowe zdarzają się błyskawicznie, ale dzieje się tam jeszcze kilka innych rzeczy, o czym zaraz się zajmę. Chodzi przede wszystkim o to, że stapianie zajmuje dużo czasu, a 20 minut to nie tyle czasu na uformowanie ciężkich elementów.

Deuter

Aby zdobyć ciężkie pierwiastki, musisz je zbudować. Nie można po prostu rozbić razem 50 protonów i 50 neutronów i zdobyć cynę. Pierwszym krokiem jest rozbicie razem protonu i neutronu w celu uzyskania deuteru, ale tutaj już masz problem znany jako wąskie gardło deuteru. Jak się okazuje, ogromne temperatury faktycznie (i nieco sprzeczne z intuicją) utrudniają tworzenie deuteru. Dzieje się tak głównie dlatego, że deuteron będzie miał tyle energii, że będzie w stanie pokonać energię wiązania (a deuter ma dość niską energię wiązania, ponieważ są to tylko dwa nukleony) i prawdopodobnie ponownie się rozpadnie. Oczywiście, biorąc pod uwagę gęstość i temperaturę, nadal można uzyskać dobrą ilość deuteru po prostu siłą woli, ale nie tak bardzo i nie w tempie, którego można by oczekiwać inaczej. Kolejnym punktem, który sprawia, że ​​deuter tworzy się rzadziej, niż można by się było naiwnie spodziewać, jest to, że stosunek protonu do neutronu przed BBN wynosił około 7: 1, ponieważ proton był bardziej sprzyjający do tworzenia, ponieważ ma nieco mniejszą masę. Tak więc 6 z 7 protonów nie miało odpowiedniego neutronu do połączenia i musiało poczekać na uformowanie się deuteru, zanim mógł się połączyć z czymkolwiek.

Tryt, hel, lit, Oh My!

Deuter jest następnie katalizatorem do tworzenia wszystkich kolejnych etapów cząstek w zupie. Stąd możesz rzucać nimi razem z różnymi innymi rzeczami, aby uzyskać , i . Gdy już będziesz mieć dużo izotopów deuteru, trytu i helu, możesz zacząć wytwarzać lit, a jeśli masz szczęście, trochę berylu.3 H 4 H $^3\mathrm{He}$$^3\mathrm{H}$$^4\mathrm{He}$

To Boron and Beyond

Ale teraz znów napotykasz wąskie gardło, które jest poważniejsze niż wąskie gardło deuteru. Za pomocą tego, co masz pod ręką, nie możesz łatwo przeskoczyć do cięższych elementów. Następny łańcuch syntezy jądrowej i sposób, w jaki robią to gwiazdy, to potrójny proces alfa, który pomaga tworzyć węgiel, ale aby wykonać ten łańcuch i zgromadzić wystarczającą ilość węgla, potrzebujesz dużo czasu. I mamy tylko 20 minut! Po prostu nie ma czasu na formowanie węgla, którego potrzebujemy, aby przejść przez cykl syntezy. Jak wspomniałem na początku, z tego powodu gwiazdy czystego wodoru również nie wytwarzałyby ciężkich pierwiastków na supernowej. Są w stanie produkować ciężkie pierwiastki, ponieważ mieli miliardy lat przed swoim wydarzeniem SN, aby zgromadzić podstawową ilość węgla, azotu, tlenu itp., Która może pomóc w procesach stopienia ciężkich pierwiastków.

Więc nie masz czasu na potrójny proces alfa i wytwarzanie węgla - co z innymi procesami? Z pewnością temperatury są na tyle wysokie, że można wykonać różne metody syntezy nie spotykane w gwiazdach. Więc nie. Nie można nawet rozbić wielu lub aby uzyskać naprawdę ciężkie pierwiastki, ponieważ ciężkie jądra są stabilne tylko wtedy, gdy mają znacznie więcej neutronów niż protonów. I już powiedzieliśmy, że na początku był duży niedobór neutronów, więc szansa, że ​​masz wystarczająco dużo neutronów, aby rozbić się razem, powiedzmyL i 112 S $\mathrm{He}$$\mathrm{Li}$$^{112}\mathrm{Sn}$(to jest cyna z 62 neutronami), jest dość mała. Co więcej, nie możesz nawet pominąć węgla, robiąc coś nieco cięższego lub tworząc coś pośredniego między litem a węglem. Ponownie wynika to z problemów ze stabilnością. Więc bez innych opcji, musisz strzelać po węgiel po licie, a jak wspomniano powyżej, po prostu nie masz na to czasu.

TL; DR

Ogólnie rzecz biorąc, BBN ogranicza się tylko do pozyskiwania litu ze względu na ograniczony czas, stosunki obfitości protonów do neutronów oraz wąskie gardła syntezy spowalniające. Wszystkie te razem tworzą ~ 75% , ~ 25% , ~ 0,01% i , i ilości śladowe z .4 H e 2 H 3 H e L $^1\mathrm{H}$$^4\mathrm{He}$$^2\mathrm{H}$$^3\mathrm{He}$$\mathrm{Li}$