Fülle des leichten Elements der Urknall-Nukleosynthese

Beachten Sie zunächst, dass das Deuterium und$^3$Er sind drei Größenordnungen kleiner als$^4$Er. Für$^7$Li beträgt der Unterschied etwa neun Größenordnungen! Die Eigenschaften in diesen Elementen werden daher im Vergleich zu verbessert$^4$Er.

Ein wichtiges Bild, das man sich vor Augen halten sollte, um zu verstehen, was vor sich geht, ist das folgende, das die Reaktionen beschreibt, die während BBN ablaufen:

Die Hauptmerkmale des Diagramms sind folgende:

1. Im Gegensatz zu den leichteren Kernen ist die Fülle von$^4$Er ist relativ unempfindlich gegenüber der Baryonendichte. Die Fülle von$^4$Er steigt leicht mit dem Verhältnis von Baryon zu Photon an$\eta$. Dies liegt daran, dass zu Beginn praktisch alle verfügbaren Neutronen eingeschlossen sind$^4$Seine Häufigkeit hängt entscheidend von der Konkurrenz zwischen den schwachen Wechselwirkungsraten und der Expansionsrate des Universums ab. Je höher die Nukleonendichte, desto früher der Deuterium-Engpass$^\dagger$durchbrochen werden kann. Da es früher mehr Neutronen gibt, mehr$^4$Er wird gemacht. Dies führt zu einem sehr langsamen Anstieg mit$\eta$.

2. Andererseits D und$^3$Die Häufigkeit nimmt mit dem Verhältnis von Baryon zu Photon ab. Dies hängt mit dem vorherigen Punkt zusammen: Bei einer höheren Nukleonendichte mehr D und$^3$Er ist eingebrannt$^4$Er hinterlässt weniger dieser Elemente.

3. Das Verhalten von$^7$Li ist kniffliger. Bei niedriger$\eta$Werte dieses Element wird durch die synthetisiert$^3$H$(\alpha,\gamma)^7$Li-Reaktionen, werden aber bei Stößen mit Protonen leicht zerstört. Daher mit zunehmendem Baryonen-zu-Photonen-Verhältnis (wobei es jedoch im niedrigen Bereich gehalten wird$\eta<3$) die Zerstörung von$^7$Li geht schneller und die Fülle nimmt ab. Bei höherer Häufigkeit jedoch ca$\eta>3$wird das Lithium weitgehend indirekt als Beryllium synthetisiert . Dieses Masse-7-Element wird über die Reaktion hergestellt$^3$Er$(\alpha,\gamma)^7$Sei. Seit$^7$Sein ist fester gebunden, es ist schwerer zu zerstören als$^7$Li und die Fülle von$^7$Seien Sie erhöht. Später, wenn das Universum kühler ist und sich neutrale Atome bilden können,$^7$Be wird ein Elektron einfangen und zerfallen$^7$Li.

Der Einbruch dazwischen wird durch die Zerstörungsreaktion verursacht, bei der Protonen eingefangen und in zwei Teile zerfallen$^4$Er Kerne.

$\dagger$Die Nukleosynthese kann erst beginnen, wenn die Bindungsenergie von D (mit der niedrigsten Bindungsenergie von etwa 2,2 MeV) durchbrochen werden kann. Alle anderen Kerne erfordern die Bildung von 3-Körper-Kollisionen, wenn D noch nicht verfügbar ist. Sobald D gebildet ist, werden sie sofort verarbeitet$^4$Er.

Beachten Sie, dass die beobachtete Lithiumhäufigkeit im Gegensatz zu der der leichteren Kerne durch direkte Beobachtung nicht mit der theoretischen Vorhersage übereinstimmt, die aus der vom CMB gemessenen Baryonendichte abgeleitet wurde.

Quelle: Big Bang Nucleosynthese: Sondieren der ersten 20 Minuten von G. Steigman

Ich habe diesen Link für die Handlung gefunden.

Die vorhergesagte Häufigkeit von Deuterium, Helium und Lithium hängt von der Dichte gewöhnlicher Materie im frühen Universum ab, wie in der Abbildung links gezeigt. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Heliumausbeute relativ unempfindlich gegenüber der Häufigkeit gewöhnlicher Materie oberhalb einer bestimmten Schwelle ist. Wir gehen allgemein davon aus, dass etwa 24 % der gewöhnlichen Materie im Universum Helium ist, das beim Urknall produziert wird. Dies stimmt sehr gut mit Beobachtungen überein und ist ein weiterer großer Triumph für die Urknalltheorie.

Das Big Bang-Modell kann jedoch weiter getestet werden. Bei einer genauen Messung der Häufigkeit gewöhnlicher Materie werden die vorhergesagten Häufigkeiten der anderen leichten Elemente stark eingeschränkt. Der WMAP-Satellit ist in der Lage, die gewöhnliche Materiedichte direkt zu messen und findet einen Wert von 4,6 % (±0,2 %), angezeigt durch die vertikale rote Linie in der Grafik.

Dies führt zu vorhergesagten Häufigkeiten, die durch die Kreise in der Grafik gezeigt werden, die gut mit den beobachteten Häufigkeiten übereinstimmen.

Es ist also offensichtlich, dass die Kurven Ergebnisse theoretischer Berechnungen sind, die durch Satellitenmessungen an den Kreisen validiert wurden.

Jetzt wird die Antwort auf das „Warum“ zu „weil die theoretische Berechnung dies voraussagt“ und es ist wichtig, dass dies getestet wird.

Dies ist ein wichtiger und detaillierter Test der Nukleosynthese und ein weiterer Beweis für die Unterstützung der Urknalltheorie. Wären die Ergebnisse widersprüchlich, würde dies auf 1) Fehler in den Daten, 2) ein unvollständiges Verständnis des Prozesses der Urknall-Nukleosynthese, 3) ein Missverständnis der Mechanismen hinweisen, die Schwankungen in der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung erzeugen, oder 4) ein grundlegenderes Problem mit der Urknalltheorie.

Man kann mit der Hand winken und sich ansehen, wie die Reaktionen verlaufen:

Eine Sekunde nach dem Urknall betrug die Temperatur des Universums etwa 10 Milliarden Grad und war angefüllt mit einem Meer aus Neutronen, Protonen, Elektronen, Antielektronen (Positronen), Photonen und Neutrinos. Als das Universum abkühlte, zerfielen die Neutronen entweder in Protonen und Elektronen oder kombinierten sich mit Protonen zu Deuterium (einem Wasserstoffisotop). Während der ersten drei Minuten des Universums verband sich das meiste Deuterium zu Helium. Zu dieser Zeit wurden auch Spuren von Lithium produziert.

Aus dieser Handlung

Warum sinken die 3He- und D-Häufigkeiten mit zunehmendem Baryon-zu-Photonen-Anteil, während die Li-Häufigkeit steigt?

Ich würde vermuten, dass Protonen / Neutronen zunehmend an He gebunden sind, sodass weniger Deuterium und Tritium aus ihnen ausgeschmolzen werden können.

Und was ist das für ein merkwürdiger Rückgang des Li-Überflusses?

Wir sehen, dass Lithium das Endprodukt entweder des Zerfalls des instabilen 7Be oder der Fusion von Tritium mit 4He ist. Bei konkurrierenden Aufbauketten ist es nicht ungewöhnlich, einen Abfall in 7Li zu sehen, da der eine Pfad abnimmt (Tritium, siehe a), da Helium konstant ist), während der andere übernimmt (die Skala ist logarithmisch, der langsame Anstieg von He4 könnte es tun).

In jedem Fall muss man das genaue Modell haben, um die individuellen Verhaltensweisen zu überprüfen.