Первичный нуклеосинтез

Первичный нуклеосинтез — совокупность процессов, которые привели к образованию химического состава вещества во Вселенной до появления первых звёзд.

К началу первичного нуклеосинтеза, через 3 минуты после Большого взрыва, соотношение нейтронов и протонов составляло 1 к 7. Через 20 минут после Большого взрыва первичный нуклеосинтез завершился: в барионной массе Вселенной стали доминировать водород (75% массы) и гелий (25% массы). В меньшем количестве образовались дейтерий, гелий-3 и литий-7, другие же элементы сформировались в незначительном количестве. Наблюдаемое содержание различных элементов достаточно хорошо сходится с теоретически предсказанным, за исключением содержания лития-7. Несмотря на это исключение, считается, что реальная распространённость химических элементов хорошо описывается существующей теорией и свидетельствует о правильности современных представлений о Большом взрыве.

Описание 
Первичный нуклеосинтез — совокупность процессов, которые привели к образованию химического состава вещества во Вселенной до появления первых звёзд.

Предшествующие события 
В момент времени 0,1 с после Большого взрыва температура Вселенной составляла около 3 K, а её вещество представляло собой электрон-позитрон-нейтринную плазму, в которой в небольшом количестве имелись нуклоны: протоны и нейтроны. В таких условиях происходили постоянные превращения протонов в нейтроны и обратно в следующих реакциях:

 n~{+}~e^+ <=> p~{+}~\tilde{\nu_{e}}
 n + \nu_{e} <=> p + e^-
 n <=> p~{+}~e^-~{+}~\tilde{\nu_{e}}

Первоначально прямые и обратные реакции уравновешивали друг друга, и равновесная доля нейтронов от всех нуклонов  зависела от температуры :

 

где  — разность энергий покоя нейтрона и протона, равная 1,29 МэВ, а  — постоянная Больцмана. Когда температура снизилась до 3 K, что соответствует возрасту Вселенной в 10 секунд, эти реакции практически прекратились, а равновесие перестало сохраняться — в этот момент значение  составило около 0,17. Превращение нейтронов в протоны стало идти посредством бета-распада нейтрона со временем жизни около 880 секунд, и  стало убывать экспоненциально: к моменту начала первичного нуклеосинтеза, через 3 минуты после Большого взрыва,  снизилось до приблизительно 0,125, то есть на 1 нейтрон приходилось 7 протонов.

Процесс 

Когда с момента Большого взрыва прошло около 3 минут, температура Вселенной стала ниже  K. После этого стало возможно образование стабильных ядер дейтерия (дейтронов) при столкновении протона и нейтрона, практически все из которых в цепочке реакций превращались в более стабильные ядра гелия. Таким образом, практически все нейтроны в результате нуклеосинтеза оказались в ядрах гелия путём следующих реакций:

 p + n -> d + \gamma
 d + d -> ^3_1H + p
 d + d -> ^3_2He + n
 d + ^3_1 H -> ^4_2He + n
 d + ^3_2 He -> ^4_2He + p

Образование дейтронов было возможно и при более высоких температурах, но в таких условиях они были нестабильны и быстро распадались, а из-за невысокой плотности вещества столкновение двух ядер дейтерия с образованием более стабильного ядра было маловероятно. Тем не менее, возможны реакции с участием одного ядра дейтерия и одного нуклона, хотя их характерные сечения малы:

 d + n -> ^3_1H + \gamma
 d + p -> ^3_2He + \gamma

Некоторая часть ядер гелия-4 сформировала литий. К образованию лития-7 приводили следующие реакции:

 ^3_1 H + ^4_2 He -> ^7_3 Li + \gamma
 ^3_2 He + ^4_2 He -> ^7_4 Be + \gamma
 {^7_4 Be} + e^- -> {^7_3 Li} + \nu_{e}

Формирование этих химических элементов завершилось, когда после Большого взрыва прошло 20 минут. Кроме этих элементов, при первичном нуклеосинтезе образовались и более тяжёлые ядра, однако из-за отсутствия стабильных ядер с атомным весом 5 или 8 доля этих элементов оказалась ничтожной (см. ниже).

Результаты 
Когда первичный нуклеосинтез завершился, большая часть протонов — ядер водорода — осталась в свободном состоянии, составив 75% барионной массы Вселенной. Ядра гелия-4 составили около 25% барионной массы — эта величина зависит от доли нейтронов среди всех нуклонов и с хорошей точностью вдвое превышает её, поскольку ядро гелия содержит 2 протона и 2 нейтрона.

Менее распространёнными изотопами оказались дейтерий, гелий-3 и литий-7. По наблюдательным данным относительное содержание дейтерия составило 2,5, гелия-3 — 0,9—1,3, лития-7 — 1,6, что в целом сходится с теоретическими предсказаниями (см. ниже). Также образовалось сопоставимое количество трития и бериллия-7, но эти изотопы нестабильны и после завершения первичного нуклеосинтеза распались: тритий превратился в гелий-3 путём бета-распада, а бериллий-7 — в литий-7 путём электронного захвата:

 ^3_1 H -> ^3_2 He~{+}~e^-~{+}~\tilde{\nu_{e}}
 ^7_4 Be + e^- -> ^7_3 Li + \nu_{e}

Доли других элементов в веществе, которое образовалось при первичном нуклеосинтезе, оказались незначительными: например, относительное содержание бора-11 составило около 3, а углерода, азота и кислорода в сумме ― . Эти элементы в таком малом количестве не могли как-либо повлиять на параметры и эволюцию первых звёзд, которые сформировались из этого вещества.

Проверка космологических параметров 

Наблюдаемые результаты первичного нуклеосинтеза дают возможность проверить, насколько правильными являются соответствующие теоретические модели. Так, например, стандартная модель первичного нуклеосинтеза — сценарий, где физика элементарных частиц описывается стандартной моделью, а космология — моделью ΛCDM, имеет лишь один свободный параметр : отношение числа барионов во Вселенной к числу фотонов. Поскольку число фотонов известно из наблюдений реликтового излучения, то  зависит только от плотности барионов во Вселенной.

От параметра  зависит содержание элементов первичного нуклеосинтеза. С ростом  понижается конечное содержание дейтерия и гелия-3: чем больше барионная плотность, тем быстрее и эффективнее идут реакции превращения этих ядер в ядра гелия-4, и тем меньше их остаётся к завершению первичного нуклеосинтеза. Наоборот, содержание гелия-4 возрастает при увеличении , хотя и довольно медленно: чем выше барионная плотность, тем раньше начинается первичный нуклеосинтез и тем большую долю от всех нуклонов составляют нейтроны, практически все из которых связываются в ядра гелия. Зависимость конечного содержания лития-7 от  немонотонна и имеет минимум при  около 2—3 — это связано с тем, что литий образуется в двух цепочках реакций, одна из которых идёт при малых , а другая — при больших, кроме того, вместе с образованием ядер лития шёл их распад.

Таким образом, если стандартная модель первичного нуклеосинтеза верна, то содержание различных химических элементов должно соответствовать одному и тому же . Эту величину возможно измерить и другими методами, например, по параметрам анизотропии реликтового излучения — такая оценка  также должна согласовываться с распространённостью химических элементов. Оценка , полученная по данным WMAP, равна 6,2 и соответствует данным о содержании дейтерия, гелия-3 и гелия-4; для лития-7 теоретическая оценка в 4 раза превышает наблюдаемое значение. Для решения этой проблемы предлагаются различные решения, но в целом считается, что реальная распространённость химических элементов хорошо описывается существующей теорией и свидетельствует о правильности современных представлений о Большом взрыве.

Примечания

Комментарии

Источники

Литература 

 
  

Космология
Нуклеосинтез