빅뱅이 왜 더 무거운 요소를 생산하지 않았습니까?

빅뱅 직후, 온도는 플랑크 온도에서 냉각되었습니다. 일단 온도가 116 기가 켈빈으로 낮아지면, 핵 합성이 일어나고, 헬륨, 리튬 및 미량의 다른 원소가 생성되었습니다.

그러나 빅뱅 직후 온도가 너무 높으면 왜 더 무거운 요소가 생산되지 않았습니까? 116 기가 켈빈은 분명히 탄소와 산소와 같은 원소가 융합하는 데 필요한 온도보다 훨씬 높습니다. 또한, 그 온도에서 대부분의 양성자가 융합되어 우주가 대부분 더 무거운 원소를 남기지 않아야합니까?

나는 당신의 생각 과정에 결함이 있다고 생각합니다. 온도를 급격히 올리면 무거운 요소를 얻을 수 있다고 가정합니다. 이상하게 들릴 수도 있지만, 몇 가지 이유에서 (특히 빅뱅 핵 합성 (BBN) 동안) 그렇지 않습니다. 사실, 수소 만있는 별을 가져 와서 초신성으로 만들면, 현재의 별에서 초신성이되는 것처럼 무거운 요소를 얻지 못할 것입니다.

BBN 타임 스케일

고려해야 할 한 가지 중요한 점은 BBN 시대가 ~ 20 분 길이로 계산된다는 것입니다. 그것은 실제로 요소를 형성하는 데 많은 시간이 아닙니다. 물론, 초신성은 순간적인 순간에 발생하지만 다른 일이 일어나고 있습니다. 여기서 중요한 점은 융합에는 시간이 걸리고 20 분은 무거운 요소를 형성하는 데 많은 시간이 걸리지 않는다는 것입니다.

중수소

무거운 요소를 얻으려면 구성 요소를 구성해야합니다. 50 개의 양성자와 50 개의 중성자를 함께 뭉개고 주석을 만들 수는 없습니다. 첫 번째 단계는 양성자와 중성자를 함께 뭉쳐서 중수소를 만드는 것입니다. 그러나 여기에서는 이미 중수소 병목 현상으로 알려진 문제가 발생했습니다. 결과적으로, 거대한 온도는 실제로 (그리고 다소 반 직관적으로) 중수소의 생성을 방해합니다. 이것은 주로 deuteron이 결합 에너지를 극복 할 수있을 정도로 많은 에너지를 가지게되고 (중수소는 결합 에너지가 매우 낮기 때문에 두 개의 핵이 될 수 있기 때문에) 다시 분해 될 수 있기 때문입니다. 물론 밀도와 온도를 고려할 때 단순히 의지의 힘만으로도 많은 양의 중수소를 얻을 수 있지만 그다지 기대하지 않는 속도로 많지는 않습니다. 순진하게 기대할 수있는 중수소 형태를 덜 빈번하게 만드는 또 다른 요점은 BBN 이전의 양성자 대 중성자 비율이 질량이 약간 낮기 때문에 양성자가 생성되기에 유리하기 때문에 약 7 : 1 이었다는 것입니다. 따라서 7 개의 양성자 중 6 개는 상응하는 중성자를 가지지 않았으며 중수소가 먼저 형성되기를 기다려야했습니다.

삼중 수소, 헬륨, 리튬, 오 마이!

중수소는 수프에 다음 단계의 모든 입자를 형성하는 촉매입니다. 여기에서 , 및 을 얻기 위해 다양한 다른 것들과 함께 던질 수 있습니다 . 부유 한 양의 중수소, 삼중 수소 및 헬륨 동위 원소가 떠 다니면 리튬을 만들기 시작할 수 있으며 운이 좋으면 약간의 베릴륨이 될 수 있습니다.$^3\mathrm{He}$$^3\mathrm{H}$$^4\mathrm{He}$

붕소를 넘어

그러나 이제 다시 한 번 병목 현상이 발생하고 중수소 병목 현상보다 한 번 더 심각해집니다. 보유하고있는 것을 사용하여 더 무거운 요소로 쉽게 이동할 수 없습니다. 다음 융합 사슬과 별이하는 방식은 탄소를 형성하는 데 도움이되는이 3 중 알파 과정이지만이 사슬을 수행하고 충분한 탄소를 축적하는 데 많은 시간 이 필요합니다 . 그리고 20 분 밖에 없습니다! 융합 사이클을 따라 진행하는 데 필요한 탄소를 형성 할 시간이 없습니다. 처음에 암시했듯이 순수한 수소 별도 이런 이유로 초신성에 무거운 요소를 생성하지 않습니다. 그들은 SN 사건이 발생하기 전에 수십억 년 동안 무거운 원소 융합 과정을 도울 수있는 기본 양의 탄소, 질소, 산소 등을 축적했기 때문에 무거운 원소를 생산할 수 있습니다.

따라서 트리플 알파 프로세스를 따라 탄소를 만들 시간이 없습니다. 다른 프로세스는 어떻습니까? 분명히 온도는 별에서 보이지 않는 다른 융합 방법을 수행 할 수있을만큼 충분히 높습니다. 음 ... 아니. 무거운 핵이 양성자보다 더 많은 중성자를 가지면 안정적이기 때문에 많은 무거운 원소를 얻기 위해 또는 을 많이 부술 수도 없습니다 . 그리고 우리는 이미 초기에 큰 중성자 결핍이 있다고 말 했으므로, 중성자가 충분히 부딪 칠 확률은$\mathrm{He}$$\mathrm{Li}$$^{112}\mathrm{Sn}$(62 개의 중성자를 가진 주석), 꽤 작습니다. 또한, 약간 무거운 것을 만들어서 탄소를 건너 뛰거나 리튬과 탄소 사이에 매개체를 형성하려고 시도조차 할 수 없습니다. 다시 말하지만 이것은 안정성 문제 때문입니다. 따라서 다른 옵션이 없다면 리튬 후 탄소를 쏴야하며 위에서 언급했듯이 그럴 시간이 없습니다.

TL; DR

전반적으로, BBN은 제한된 시간, 양성자 대 중성자 풍부 비 및 일을 늦추는 융합 병목 현상으로 인해 리튬으로 만 제한됩니다. 이들 모두는 ~ 75 % , ~ 25 % , ~ 0.01 % 및 및 미량을 생성하기 위해 함께 제공됩니다. 의 .$^1\mathrm{H}$$^4\mathrm{He}$$^2\mathrm{H}$$^3\mathrm{He}$$\mathrm{Li}$