Abundancias del elemento ligero de la Nucleosíntesis del Big Bang

Tenga en cuenta en primer lugar que el deuterio y$^3$Él es tres órdenes de magnitud más pequeño que$^4$Él. Para$^7$¡La diferencia es de aproximadamente nueve órdenes de magnitud! Por lo tanto, las características de estos elementos se mejoran en comparación con$^4$Él.

Una imagen importante a tener en cuenta para comprender lo que sucede es la siguiente que describe las reacciones que ocurren durante la BBN:

Las principales características del gráfico son las siguientes:

1. En contraste con los núcleos más ligeros, la abundancia de$^4$Es relativamente insensible a la densidad bariónica. la abundancia de$^4$Aumenta ligeramente con la relación de bariones a fotones.$\eta$. Esto se debe a que, al principio, prácticamente todos los neutrones disponibles se bloquean en$^4$Él, su abundancia depende críticamente de la competencia entre las tasas de interacción débil y la tasa de expansión del universo. Cuanto mayor sea la densidad de nucleones, antes se producirá el cuello de botella de deuterio.$^\dagger$se puede violar. Dado que en épocas anteriores hay más neutrones, más$^4$Él será hecho. Esto da como resultado un aumento muy lento con$\eta$.

2. Por otro lado D y$^3$Las abundancias disminuyen con la relación barión-fotón. Esto está relacionado con el punto anterior: a mayor densidad de nucleones más D y$^3$él está quemado en$^4$Él, dejando atrás menos de estos elementos.

3. el comportamiento de$^7$Li es más complicado. en la parte inferior$\eta$valores este elemento es sintetizado por la$^3$H$(\alpha,\gamma)^7$Reacciones de Li, pero se destruyen fácilmente en colisiones con protones. Por lo tanto, con el aumento de la relación barión-fotón (manteniéndola, sin embargo, en el régimen bajo$\eta<3$) la destrucción de$^7$Li va más rápido y la abundancia disminuye. Sin embargo, a mayor abundancia, aproximadamente$\eta>3$, el litio se sintetiza indirectamente en gran medida como berilio . Este elemento de masa 7 se forma a través de la reacción$^3$Él$(\alpha,\gamma)^7$Ser. Desde$^7$Ser está más estrechamente atado, es más difícil de destruir que$^7$Li y la abundancia de$^7$Ser aumenta. Más tarde, cuando el universo esté más frío y puedan comenzar a formarse átomos neutros,$^7$Se capturará un electrón y se desintegrará a$^7$Li.

La caída intermedia es causada por la reacción de destrucción que involucra la captura de protones y la descomposición en dos$^4$Él núcleos.

$\dagger$La nucleosíntesis solo puede comenzar una vez que se puede romper la energía de enlace de D (que tiene la energía de enlace más baja de aproximadamente 2,2 MeV). Todos los demás núcleos requieren que se forme una colisión de 3 cuerpos si D aún no está disponible. Una vez que se forma D, se procesan inmediatamente en$^4$Él.

Tenga en cuenta que la abundancia de litio observada, a diferencia de la de los núcleos más ligeros, por observación directa no concuerda con la predicción teórica inferida de la densidad bariónica medida desde el CMB.

Fuente: Nucleosíntesis del Big Bang: prueba de los primeros 20 minutos por G. Steigman

Encontré este enlace para la trama.

La abundancia prevista de deuterio, helio y litio depende de la densidad de la materia ordinaria en el universo primitivo, como se muestra en la figura de la izquierda. Estos resultados indican que la producción de helio es relativamente insensible a la abundancia de materia ordinaria, por encima de cierto umbral. En general, esperamos que alrededor del 24% de la materia ordinaria del universo sea helio producido en el Big Bang. Esto está muy de acuerdo con las observaciones y es otro gran triunfo de la teoría del Big Bang.

Sin embargo, el modelo Big Bang se puede probar más. Dada una medida precisa de la abundancia de materia ordinaria, la abundancia prevista de los otros elementos ligeros se vuelve muy restringida. El satélite WMAP puede medir directamente la densidad de materia ordinaria y encuentra un valor de 4,6% (±0,2%), indicado por la línea roja vertical en el gráfico.

Esto conduce a las abundancias pronosticadas que se muestran en los círculos del gráfico, que concuerdan bien con las abundancias observadas.

Entonces es evidente que las curvas son resultados de cálculos teóricos, validados por mediciones satelitales en los círculos.

Ahora la respuesta a "por qué" se convierte en "porque eso es lo que predice el cálculo teórico" y es importante que se pruebe.

Esta es una prueba importante y detallada de la nucleosíntesis y es una prueba más que respalda la teoría del Big Bang. Si los resultados hubieran estado en conflicto, apuntarían a 1) errores en los datos, 2) una comprensión incompleta del proceso de nucleosíntesis del Big Bang, 3) una mala comprensión de los mecanismos que producen fluctuaciones en la radiación de fondo de microondas, o 4) un problema más fundamental con la teoría del Big Bang.

Uno puede agitar la mano, mirando la forma en que van las reacciones:

Un segundo después del Big Bang, la temperatura del universo era de aproximadamente 10 mil millones de grados y estaba lleno de un mar de neutrones, protones, electrones, antielectrones (positrones), fotones y neutrinos. A medida que el universo se enfrió, los neutrones se descompusieron en protones y electrones o se combinaron con protones para formar deuterio (un isótopo del hidrógeno). Durante los primeros tres minutos del universo, la mayor parte del deuterio se combinó para formar helio. También se produjeron trazas de litio en este momento.

De esta parcela

¿Por qué las abundancias de 3He y D disminuyen con el aumento de la fracción bariónica a fotónica mientras que la abundancia de Li aumenta?

Supongo que porque los protones / neutrones están cada vez más unidos al He, por lo que se pueden fusionar menos deuterio y tritio.

¿Y qué es esa extraña caída en la abundancia de Li?

Vemos que el litio es el producto final de la descomposición del 7Be inestable o de la fusión del tritio con el 4He. Con cadenas de acumulación en competencia, no es extraño ver una caída en el 7Li, debido a la disminución de un camino (tritio, ver a), ya que el helio es constante) mientras que el otro toma el control (la escala es logarítmica, el lento aumento de He4 podría hacerlo).

En cualquier caso, se necesita tener el modelo exacto para comprobar los comportamientos individuales.