Великий вибух нуклеосинтез: перші 20 хвилин Всесвіту |… |…

20-хвилинний ядерний реактор

Між приблизно 1 секундою та 3 хвилинами після Великого вибуху температура знизилася з приблизно 10¹⁰ K до 10⁹ K – вузьке вікно, в межах якого могло відбуватися ядерний синтез. Відношення нейтронів до протонів, застигле на рівні близько 1:7 у момент відолення слабких взаємодій, що підтримували рівновагу між протонами та нейтронами, є єдиним числом, яке визначає остаточний склад елементів: воно визначає, скільки водню перетворюється на гелій-4, а скільки залишається у вільному стані.

Predicted primordial abundances (by mass)
⁴He / H ≈ 24-25%   (4 × neutron fraction ≈ 4 × 1/8 ≈ 25%)
D / H   ≈ 2.5×10⁻⁵  (sensitive to baryon density)
³He / H ≈ 10⁻⁵
⁷Li / H ≈ 5×10⁻¹⁰   (lithium problem: measured ~3× lower)

жива демонстрація · пов'язана симуляція● LIVE

Чому припиняється злиття: вичерпано вільні нейтрони

Зі збільшенням розширення та охолодженням Всесвіту після приблизно 3-х хвилин, вільні нейтрони або зазнали розпадів на протони, або вже були зафіксовані в ядрах гелію-4, і вичерпано основне паливо для подальшого злиття. Обчислені у таблиці вище пропорції тоді закріплюються назавжди, не змінюючись протягом наступних 13,8 мільярдів років, крім незначних змін, спричинених пізнішим процесом формування зірок – це теоретичне передбачення приблизно 75% водню та 25% гелію за масою, яке з надзвичайною точністю відповідає спостережуваним пропорціям елементів у первинному Всесвіті, одна з трьох основних підстав доказів моделі Великого Вибуху поряд із розширенням Хаббла та космічним мікрохвильовим фоном.

Дейтерій: найточніший показник щільності баріонів

Щільність дейтерію є найточнішим показником щільності баріонів у Всесвіті: чим більше баріонів, тим більше дейтерію перетворюється на гелій-4, і тим менше дейтерію залишається. Спостереження співвідношення D/H в випромінених поглинаннях високодисперсійних систем дають Ω_b h² = 0.0224 – значення, яке незалежно узгоджується з вимірюванням, здійсненим супутником Planck, щодо тієї ж величини з космічного мікрохвильового фону – вражаюча перевірка між двома повністю різними епохами та методами.

Нерозв’язана проблема літію

Залишається нерозв'язаним загадком те, що стандартне Big Bang нуклеосинтезу передбачає приблизно втричі більше літію-7, ніж спостерігається у старих, металобідних зірках гало. Або ці зірки знищили частину їхнього первісного літію через внутрішнє змішування, або ж тут діють нові фізичні закони. Проблема з літієм залишається нерозв’язаною.

Frequently asked questions

Чому нуклеосинтез зупинився приблизно через 3 хвилини?

Температура Всесвіту впала з близько 10 мільярдів до 1 мільярда Кельвіна під час вікна нуклеосинтезу, і коли вичерпалися вільні нейтрони – багато з яких вже розпалися на протони або об’єдналися у гелій-4 – зникло сировина для подальшого синтезу, застигши остаточні утворення елементів.

Чому дейтерій є найчистішим показником щільності баріонів Всесвіту?

Більше баріонів означає більше дейтерію, яке спалюється в гелій-4, тому менше дейтерію виживає – що робить співвідношення D/H у високошвидкісному газі чутливим і прямим показником щільності баріонів. Це дає значення (Ω_b h² = 0.0224), яке незалежно збігається з вимірюванням супутника Planck з космічного мікрохвильового фону.

Яка проблема з літієм?

Стандартна нуклеосинтез Великого Вибуху передбачає приблизно втричі більше літію-7, ніж спостерігається в старих, металобідних зірках гало. Або ці зірки знищили деякий з їхнього примірний літій внутрішніми процесами, або грають нові закони фізики за межами стандартної моделі – розбіжність залишається невирішеною.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.

▶ Відкрити симуляцію the simulation