💫 Первинний Нуклеосинтез — Перші 3 Хвилини Великого Вибуху

Нуклеосинтез Великого вибуху — це процес, що виковав найлегші ядра Всесвіту, переважно водень, гелій-4, дейтерій, гелій-3 і літій-7, протягом приблизно перших трьох хвилин після Великого вибуху. У цей час космос був достатньо гарячим і густим для ядерного синтезу, поки розширення не охолодило його нижче порогу для подальших реакцій.

Синтез потребує високої температури й густини, які обидві швидко падали в міру розширення простору. До приблизно однієї секунди Всесвіт був занадто гарячим, щоб дейтерій вижив, а через кілька хвилин — занадто холодним і розрідженим, щоб ядра продовжували реагувати. Тому майже все первинне утворення елементів відбулося саме в цьому короткому проміжку.

Повзунок Ω_b h² задає густину звичайної матерії, яку модель перетворює на відношення баріонів до фотонів η за формулою η ≈ 6,1×10⁻¹⁰ × (Ω_b/0,022). Вища баріонна густина ефективніше спалює дейтерій у гелій, знижуючи D/H і трохи підвищуючи частку гелію-4, тож поширеності зсуваються на всіх трьох виглядах.

Час життя нейтрона τ_n (820-920 с) визначає, скільки вільних нейтронів розпадається, перш ніж їх зафіксують у ядрах. Довший час життя залишає трохи більше нейтронів доступними, злегка підвищуючи вихід гелію-4. У цій моделі ефект невеликий, що відображає помірну чутливість BBN до виміряного часу життя нейтрона близько 880 с.

Приблизно при T ≈ 0,8 МеВ (близько однієї секунди) слабкі взаємодії, що перетворюють нейтрони на протони й навпаки, стають надто повільними, щоб встигати за розширенням, тож вони відокремлюються, або виморожуються. Це фіксує співвідношення нейтрон-протон близько 1/7, яке потім визначає, скільки гелію-4 зрештою може утворитися.

Дейтерій — це ворота до побудови важчих ядер, але енергійні фотони фотодисоціюють його вище приблизно T ≈ 0,07 МеВ. Лише коли Всесвіт охолоджується нижче цього порогу, дейтерій накопичується, запускаючи ланцюги D+D→³He і ³He+D→⁴He. Ця затримка, дейтерієве вузьке місце, і є причиною, чому синтез чекає до кількох хвилин.

Модель використовує Y_p ≈ 2(n/p)/(1+n/p), що відображає той факт, що майже кожен доступний нейтрон з'єднується з протоном, утворюючи ⁴He. За n/p близько 1/7 це дає масову частку близько 0,25. Невелика логарифмічна поправка на баріонну густину злегка підвищує Y_p зі зростанням Ω_b.

Стандартна модель BBN передбачає первинне ⁷Li/H приблизно 5×10⁻¹⁰, проте виміри в старих, бідних на метали зорях дають значення у два-три рази нижчі. Ця стійка розбіжність, космологічна проблема літію, залишається нерозв'язаною і може вказувати на зоряне виснаження, невизначені ядерні швидкості реакцій або нову фізику раннього Всесвіту.