ทำไม Big Bang ถึงไม่ผลิตองค์ประกอบที่หนักกว่า?

ไม่นานหลังจากบิ๊กแบงอุณหภูมิจะเย็นลงจากอุณหภูมิพลังค์ เมื่ออุณหภูมิลดลงเหลือ 116 gigakelvins การเกิดนิวคลีโอซินจึงเกิดขึ้นและฮีเลียมลิเธียมและปริมาณของธาตุอื่น ๆ ก็ถูกสร้างขึ้น

อย่างไรก็ตามถ้าอุณหภูมิสูงมากหลังจากบิกแบงไม่นานทำไมองค์ประกอบที่หนักกว่านั้นถึงผลิตออกมา? 116 gigakelvins อยู่เหนืออุณหภูมิที่ต้องการสำหรับองค์ประกอบเช่นคาร์บอนและออกซิเจนเพื่อหลอมรวม นอกจากนี้โปรตอนส่วนใหญ่ที่อุณหภูมิเหล่านั้นไม่ควรหลอมรวมออกจากจักรวาลด้วยองค์ประกอบที่หนักกว่า

ฉันคิดว่ากระบวนการคิดของคุณนั้นมีข้อบกพร่องเพราะคุณคิดว่าการเพิ่มอุณหภูมิอย่างมากนั้นทำให้คุณมั่นใจได้ว่าจะได้รับองค์ประกอบที่หนักหน่วง แปลกอย่างที่อาจฟังดูนี่ไม่ใช่กรณี (โดยเฉพาะในช่วง Big Bang Nucleosynthesis (BBN)) ด้วยเหตุผลบางประการ ในความเป็นจริงถ้าคุณนำดาวไฮโดรเจนเพียงอย่างเดียวและทำให้มันกลายเป็นซุปเปอร์โนวาคุณจะไม่ได้รับองค์ประกอบที่หนักหน่วงเหมือนที่คุณเห็นในดาวปัจจุบันที่กำลังกลายเป็นซุปเปอร์โนวา

BBN Timescale

ประเด็นสำคัญที่ควรพิจารณาคือยุค BBN คำนวณได้ว่ามีความยาวเพียง 20 นาทีเท่านั้น นั่นไม่ใช่เวลามากที่จะสร้างองค์ประกอบ แน่นอนว่าซุปเปอร์โนวาเกิดขึ้นในชั่วพริบตา แต่มีสิ่งอื่นเกิดขึ้นที่นั่นซึ่งฉันจะไปในอีกไม่ช้า ประเด็นหลักที่นี่คือการหลอมรวมต้องใช้เวลาและ 20 นาทีไม่มีเวลามากพอที่จะสร้างองค์ประกอบที่หนักหน่วง

ธาตุไฮโดรเจนชนิดหนัก

ในการรับองค์ประกอบจำนวนมากคุณต้องสร้างองค์ประกอบเหล่านั้นขึ้นมา คุณไม่สามารถชนโปรตอน 50 อันและนิวตรอน 50 ตัวเข้าด้วยกันและรับดีบุกได้ ดังนั้นขั้นตอนแรกคือการชนโปรตอนและนิวตรอนเข้าด้วยกันเพื่อให้ได้ดิวทีเรียม แต่ที่นี่คุณพบปัญหาที่เรียกว่าคอขวดดิวเทอเรียม เมื่อมันปรากฏออกมาอุณหภูมิที่สูงขึ้นจริง ๆ แล้ว (และค่อนข้างตรงกันข้าม) ขัดขวางการสร้างดิวเทอเรียม นี่เป็นส่วนใหญ่เนื่องจากดิวเทอรอนจะมีพลังงานมากพอที่จะสามารถเอาชนะพลังงานที่มีผลผูกพัน (และดิวเทอเรียมนั้นมีพลังงานที่มีพันธะที่ค่อนข้างต่ำซึ่งเป็นเพียงนิวเคลียสเพียงสองนิวเคลียสเท่านั้น) และอาจแตกสลายอีกครั้ง แน่นอนว่าด้วยความหนาแน่นและอุณหภูมิคุณยังสามารถได้รับดิวเทอเรียมในปริมาณที่พอเพียงโดยใช้ความตั้งใจ แต่ไม่มากและไม่ได้ตามอัตราที่คุณคาดหวังไว้ อีกจุดที่ทำให้รูปแบบดิวเทอเรียมนั้นน้อยลงอย่างที่คุณคาดหวังอย่างไร้เหตุผลคือสัดส่วนของโปรตอนต่อนิวตรอนก่อนที่ BBN จะอยู่ที่ประมาณ 7: 1 เนื่องจากโปรตอนนั้นมีคุณสมบัติที่ดีกว่าเนื่องจากมีมวลน้อยกว่า ดังนั้นโปรตอน 6 ใน 7 ตัวจึงไม่มีนิวตรอนที่สอดคล้องกันเพื่อรวมกับและต้องรอให้ดิวทีเรียมก่อตัวก่อนที่มันจะรวมกับอะไรก็ได้

ไอโซโทปฮีเลียมลิเทียมโอ้ฉัน!

ดิวเทอเรียมนั้นเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับสร้างอนุภาคขั้นต่อไปในซุปของคุณ จากที่นี่คุณสามารถโยนพวกเขาร่วมกันกับสิ่งอื่น ๆ ที่จะได้รับ ,และ{} เมื่อคุณมีดิวทีเรียมไอโซโทปฮีเลียมและไอโซโทปจำนวนมากที่ลอยอยู่รอบ ๆ คุณสามารถเริ่มสร้างลิเทียมและถ้าคุณโชคดีเบริลเลียมนิดหน่อย$^3\mathrm{He}$$^3\mathrm{H}$$^4\mathrm{He}$

ไปโบรอนและอื่น ๆ

แต่ตอนนี้คุณพบปัญหาคอขวดอีกครั้งและรุนแรงกว่าขวดดิวเทอเรียมอีกหนึ่งขวด คุณไม่สามารถข้ามไปยังองค์ประกอบที่หนักกว่าได้อย่างง่ายดายด้วยสิ่งที่คุณมีอยู่ในมือ ห่วงโซ่ฟิวชั่นถัดไปและวิธีการที่ดาวทำมันเป็นกระบวนการที่สามอัลฟาซึ่งช่วยให้รูปแบบคาร์บอน แต่ในการดำเนินการในห่วงโซ่นี้และสร้างคาร์บอนพอที่คุณจะต้องมีจำนวนมากของเวลา และเรามีเวลาเพียง 20 นาที! ไม่มีเวลาที่จะก่อตัวคาร์บอนที่เราต้องการเพื่อพัฒนาไปตามวัฏจักรฟิวชั่น อย่างที่ฉันบอกไว้ตอนต้นดาวไฮโดรเจนบริสุทธิ์ก็จะไม่สร้างธาตุหนักสำหรับซุปเปอร์โนวาด้วยเหตุผลนี้ ตอนนี้พวกเขาสามารถผลิตองค์ประกอบที่หนักได้เพราะพวกเขามีเหตุการณ์หลายพันล้านปีก่อนเหตุการณ์ SN ของพวกเขาเพื่อสร้างจำนวนคาร์บอนไนโตรเจนออกซิเจนและอื่น ๆ ที่สามารถช่วยในกระบวนการฟิวชั่นองค์ประกอบหนัก

ดังนั้นคุณไม่มีเวลาที่จะทำตามกระบวนการอัลฟาสามตัวและสร้างคาร์บอน - แล้วกระบวนการอื่น ๆ ล่ะ? แน่นอนว่าอุณหภูมินั้นสูงพอที่คุณสามารถทำวิธีการฟิวชั่นแบบต่างๆที่ไม่เคยเห็นในดาว อืม ... ไม่ คุณไม่สามารถที่จะรวมหรือเข้าด้วยกันเพื่อให้ได้องค์ประกอบที่หนักมากเพราะความจริงที่ว่านิวเคลียสหนักนั้นมีความเสถียรถ้าพวกมันมีนิวตรอนมากกว่าโปรตอน และเราก็บอกว่ามีการขาดนิวตรอนขนาดใหญ่ในช่วงต้นดังนั้นโอกาสที่คุณมีนิวตรอนมากพอที่จะลอยไปชนเข้าด้วยกันเพื่อพูด$\mathrm{He}$$\mathrm{Li}$$^{112}\mathrm{Sn}$(นั่นเป็นกระป๋องที่มี 62 นิวตรอน) มันค่อนข้างเล็ก ยิ่งไปกว่านั้นคุณไม่สามารถข้ามคาร์บอนโดยการทำบางสิ่งที่หนักกว่าเล็กน้อยหรือสร้างตัวกลางระหว่างลิเทียมและคาร์บอน อีกครั้งนี้เป็นเพราะปัญหาความมั่นคง ดังนั้นเมื่อไม่มีตัวเลือกอื่นคุณต้องยิงหาคาร์บอนหลังจากลิเทียมและตามที่ระบุไว้ข้างต้นคุณแค่ไม่มีเวลาทำสิ่งนั้น

TL; DR

โดยรวมแล้ว BBN ถูก จำกัด ให้รับเฉพาะลิเทียมเนื่องจากระยะเวลาที่ จำกัด โปรตอนต่ออัตราส่วนความอุดมสมบูรณ์ของนิวตรอนและคอขวดฟิวชั่นที่ทำให้สิ่งต่าง ๆ ช้าลง ทั้งหมดนี้มารวมกันเพื่อสร้าง ~ 75% , ~ 25% , ~ 0.01%และและจำนวนการติดตาม ของ{}$^1\mathrm{H}$$^4\mathrm{He}$$^2\mathrm{H}$$^3\mathrm{He}$$\mathrm{Li}$