¿Por qué el Big Bang no creó elementos pesados?

Los elementos pesados ​​no pudieron formarse justo después del Big Bang porque no hay núcleos estables con 5 u 8 nucleones.

Fuente: Wikipedia (usuario Pamputt)

En la nucleosíntesis del Big Bang , el producto principal fue$^4He$, porque es el isótopo de luz más estable: 20 minutos después del Big Bang, el helio-4 representaba alrededor del 25% de la masa del Universo, y el resto era mayoritariamente$^1H$. Solo había 1 núcleo de deuterio y helio-3 para cada$10^5$protones y 1 núcleo de$^7Li$para cada$10^9$protones

Dadas estas abundancias, las reacciones más probables para producir elementos más pesados ​​serían$^1H + {}^4He$y$^4He + {}^4He$, pero ninguno produce núcleos estables. Entonces, en cambio, solo tenemos$^2H + {}^7Li \to {}^9Be$y$^4He + {}^7Li \to {}^{11}B$. Estas reacciones son extremadamente improbables, ya que el litio era muy escaso. Se predice que uno de estos núcleos se formó para$10^{16}$protones La abundancia de los elementos anteriores y el enfriamiento del universo impidieron la formación de elementos aún más pesados.

Por otro lado, en las primeras estrellas se formó carbono en el proceso triple alfa , que solo es posible con la densidad y abundancia de helio que se encuentra en las estrellas, y lleva mucho tiempo. Las fusiones nucleares posteriores crean elementos más pesados ​​hasta el hierro, y la energía liberada en la explosión de la supernova permite la síntesis de elementos aún más pesados.

Referencias

Alain Coc, Jean-Philippe Uzan, Elisabeth Vangioni: Núcleosíntesis estándar del big bang y abundancias primordiales de CNO según Planck JCAP10(2014)050 arxiv:1403.6694

En el caso de una explosión de supernova, es posible crear elementos pesados ​​a través de la fusión. Las supernovas tienen una enorme cantidad de energía en un volumen muy pequeño, pero no tanta energía por volumen como la que había en nuestro universo primitivo. Entonces, ¿cuál es la principal diferencia? ¿Por qué el Big Bang no creó elementos pesados?

Solo quiero señalar que demasiada energía daña el proceso de construcción de elementos, no ayuda.

http://www.físicadeluniverso.com/topics_bigbang_timeline.html

Nucleosíntesis, de 3 minutos a 20 minutos: La temperatura del universo cae hasta el punto (alrededor de mil millones de grados) donde los núcleos atómicos pueden comenzar a formarse cuando los protones y los neutrones se combinan a través de la fusión nuclear para formar los núcleos de los elementos simples de hidrógeno, helio y litio. Después de unos 20 minutos, la temperatura y la densidad del universo han descendido hasta el punto en que la fusión nuclear no puede continuar.

Entonces, más de mil millones de grados, los protones y los neutrones son demasiado energéticos para unirse. Por debajo de mil millones, pueden comenzar a fusionarse y comienzas a fusionar hidrógeno en deuterio y helio.

Pero, hay un problema,

https://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang_nucleosíntesis

A medida que el universo se expande, se enfría. Los neutrones y protones libres son menos estables que los núcleos de helio, y los protones y neutrones tienen una fuerte tendencia a formar helio-4. Sin embargo, la formación de helio-4 requiere el paso intermedio de formación de deuterio. Antes de que comenzara la nucleosíntesis, la temperatura era lo suficientemente alta como para que muchos fotones tuvieran una energía mayor que la energía de enlace del deuterio; por lo tanto, el deuterio que se formaba se destruía de inmediato (situación conocida como el cuello de botella del deuterio). Por lo tanto, la formación de helio-4 se retrasa hasta que el universo se enfría lo suficiente como para que sobreviva el deuterio (a aproximadamente T = 0,1 MeV); después de lo cual hubo un repentino estallido de formación de elementos. Sin embargo, muy poco tiempo después, veinte minutos después del Big Bang, el universo se volvió demasiado frío para que ocurriera más fusión nuclear y nucleosíntesis.

Esta pregunta es respondida en detalle por la llamada "Nucleosíntesis del Big Bang", la teoría sobre la creación de los núcleos en el Universo primitivo. Casi de la nada, permite determinar que el 75% de la masa nuclear venía en hidrógeno, el 25% en helio, y también aparecieron algunas pequeñas trazas de litio.

Aunque Gamow solía pensar que todos los elementos podrían haber sido creados en el Big Bang, Alpher y Herman rápidamente demostraron lo contrario. La razón por la que los elementos más pesados ​​no se pueden crear en el Big Bang es que los elementos con masas superiores a 56 requieren la captura de neutrones para ser creados.

Las supernovas son un gran entorno para la captura de neutrones. Sin embargo, después del Big Bang, la densidad de neutrones disminuye a medida que el Universo se expande; y después de mucho más de 10 minutos, el tiempo de vida, los neutrones se descomponen. No hay suficiente tiempo para crear los elementos más pesados.

Así que nos quedamos con la composición creada sin procesos como la captura de neutrones. Y esos favorecen los núcleos energéticamente optimizados como los tres ligeros. El problema es realmente que no se necesita una "alta temperatura" para la creación de núcleos pesados. La temperatura alta es "buena" para la creación de un estado ligado energéticamente derrochador; pero también es "bueno" para su destrucción. El Big Bang es un proceso en el que la temperatura desciende, por lo que al final dominan los estados vinculados energéticamente ahorrativos (con una energía de enlace más alta).