¿Por qué el Big Bang no produjo elementos más pesados?

Creo que su proceso de pensamiento es defectuoso porque asume que al aumentar drásticamente la temperatura tiene la garantía de obtener elementos pesados. Por extraño que parezca, este no es el caso (especialmente durante la Nucleosíntesis del Big Bang (BBN)) por varias razones. De hecho, si tomas una estrella que solo contiene hidrógeno y la conviertes en supernova, no obtendrás elementos pesados ​​como los que ves en las estrellas actuales que se convierten en supernova.

Escala de tiempo de BBN

Un punto importante a considerar es que se calcula que la era BBN dura solo ~ 20 minutos. Realmente no es mucho tiempo para formar elementos. Claro, las supernovas ocurren en un destello instantáneo, pero hay otras cosas que suceden allí, a las que llegaré en un segundo. El punto principal aquí es que la fusión lleva tiempo y 20 minutos no es mucho tiempo para formar elementos pesados.

Deuterio

Para obtener elementos pesados, debe construirlos. No puedes juntar 50 protones y 50 neutrones y obtener estaño. Entonces, el primer paso es unir un protón y un neutrón para obtener deuterio, pero aquí ya te encuentras con un problema conocido como el cuello de botella del deuterio. Resulta que las enormes temperaturas en realidad (y algo contradictorio) impiden la creación de deuterio. Esto se debe principalmente a que el deuterio terminará teniendo tanta energía que podrá superar la energía de enlace (y el deuterio tiene una energía de enlace bastante baja, ya que solo tiene dos nucleones) y probablemente se romperá nuevamente. Por supuesto, dada la densidad y la temperatura, aún puede obtener una buena cantidad de deuterio simplemente por fuerza de voluntad, pero no tanto y no al ritmo que esperaría de otra manera. Otro punto que hace que el deuterio se forme con menos frecuencia de lo que cabría esperar es que la proporción de protones a neutrones antes de BBN era de aproximadamente 7: 1 debido a que el protón es más favorable para ser creado ya que tiene una masa ligeramente menor. Entonces, 6 de los 7 protones no tenían un neutrón correspondiente con el que combinarse y tuvieron que esperar a que se formara el deuterio antes de poder combinarse con algo.

Tritio, helio, litio, ¡Dios mío!

El deuterio es entonces el catalizador para formar todas las siguientes etapas de partículas en su sopa. Desde aquí puedes tirarlos junto con varias otras cosas para obtener$^3\mathrm{He}$,$^3\mathrm{H}$, y$^4\mathrm{He}$. Una vez que tenga una buena cantidad de isótopos de deuterio, tritio y helio flotando, puede comenzar a producir litio y, si tiene suerte, un poco de berilio.

Hasta el boro y más allá

Pero ahora, una vez más te encuentras con un cuello de botella, y uno más severo que el cuello de botella del deuterio. No puedes saltar fácilmente a elementos más pesados ​​con lo que tienes a mano. La próxima cadena de fusión, y la forma en que lo hacen las estrellas, es el proceso triple alfa que ayuda a formar carbono, pero para realizar esta cadena y acumular suficiente carbono se necesita mucho tiempo. ¡Y sólo tenemos 20 minutos! Simplemente no hay tiempo para formar el carbono que necesitamos para progresar a lo largo del ciclo de fusión. Como indiqué al principio, las estrellas de hidrógeno puro tampoco producirían elementos pesados ​​en las supernovas por este motivo. Ahora pueden producir elementos pesados ​​porque han tenido miles de millones de años antes de su evento SN para acumular una cantidad base de carbono, nitrógeno, oxígeno, etc. que pueden ayudar en los procesos de fusión de elementos pesados.

Entonces, no tiene tiempo para seguir el proceso triple alfa y hacer carbono, ¿qué pasa con otros procesos? Seguramente las temperaturas son lo suficientemente altas como para que puedas hacer diferentes métodos de fusión que no se ven en las estrellas. Bueno no. Ni siquiera puedes juntar muchos$\mathrm{He}$o$\mathrm{Li}$para obtener elementos realmente pesados ​​debido al hecho de que los núcleos pesados ​​solo son estables si tienen muchos más neutrones que protones. Y ya dijimos que había una gran deficiencia de neutrones desde el principio, por lo que la posibilidad de que tenga suficientes neutrones dando vueltas para chocar juntos para obtener, digamos$^{112}\mathrm{Sn}$(eso es estaño con 62 neutrones), es bastante pequeño. Es más, ni siquiera se puede intentar omitir el carbono haciendo algo un poco más pesado o formar algo intermedio entre el litio y el carbono. Nuevamente, esto se debe a problemas de estabilidad. Entonces, sin otras opciones, debe buscar carbono después de litio y, como se indicó anteriormente, simplemente no tiene tiempo para eso.

TL;RD

En general, BBN se limita a llegar solo al litio debido al tiempo limitado, las proporciones de abundancia de protones y neutrones y los cuellos de botella de fusión que ralentizan las cosas. Todos estos se juntan para producir ~75%$^1\mathrm{H}$, ~25%$^4\mathrm{He}$, ~0.01%$^2\mathrm{H}$y$^3\mathrm{He}$y trazas de$\mathrm{Li}$.