Warum hat der Urknall keine schweren Elemente geschaffen?

Schwere Elemente konnten sich direkt nach dem Urknall nicht bilden, weil es keine stabilen Kerne mit 5 oder 8 Nukleonen gibt.

Quelle: Wikipedia (Benutzer Pamputt)

Bei der Urknall-Nukleosynthese entstand das Hauptprodukt$^4He$, weil es das stabilste leichte Isotop ist: 20 Minuten nach dem Urknall machte Helium-4 etwa 25 % der Masse des Universums aus, der Rest war größtenteils$^1H$. Es gab jeweils nur 1 Kern aus Deuterium und Helium-3$10^5$Protonen und 1 Kern von$^7Li$für jeden$10^9$Protonen.

Angesichts dieser Häufigkeiten wären die wahrscheinlichsten Reaktionen, um schwerere Elemente zu ergeben$^1H + {}^4He$und$^4He + {}^4He$, aber keiner produziert stabile Kerne. Also haben wir stattdessen nur$^2H + {}^7Li \to {}^9Be$und$^4He + {}^7Li \to {}^{11}B$. Diese Reaktionen sind äußerst unwahrscheinlich, da Lithium so knapp war. Es wird vorhergesagt, dass einer dieser Kerne Form für war$10^{16}$Protonen. Die Fülle der vorherigen Elemente und die Abkühlung des Universums verhinderten die Bildung noch schwererer Elemente.

Andererseits entstand in den ersten Sternen Kohlenstoff im Triple-Alpha-Prozess , der nur mit der in Sternen vorkommenden Dichte und Helium-Häufigkeit möglich ist und viel Zeit in Anspruch nimmt. Nachfolgende Kernfusionen erzeugen schwerere Elemente bis hin zu Eisen, und die bei der Supernova-Explosion freigesetzte Energie ermöglicht die Synthese noch schwererer Elemente.

Verweise

Alain Coc, Jean-Philippe Uzan, Elisabeth Vangioni: Standard Big Bang Nucleosynthese and primordial CNO Abundances after Planck JCAP10(2014)050 arxiv:1403.6694

Bei einer Supernova-Explosion können durch Fusion schwere Elemente entstehen. Supernovae haben eine enorme Energiemenge in einem sehr kleinen Volumen, aber nicht so viel Energie pro Volumen wie in unserem frühen Universum. Also, was ist der Hauptunterschied? Warum hat der Urknall keine schweren Elemente geschaffen?

Ich möchte nur darauf hinweisen, dass zu viel Energie dem Bau der Elemente schadet, es hilft nicht.

http://www.physicsoftheuniverse.com/topics_bigbang_timeline.html

Nukleosynthese, von 3 Minuten bis 20 Minuten: Die Temperatur des Universums fällt auf den Punkt (etwa eine Milliarde Grad), an dem sich Atomkerne bilden können, wenn sich Protonen und Neutronen durch Kernfusion verbinden, um die Kerne der einfachen Elemente Wasserstoff zu bilden. Helium und Lithium. Nach etwa 20 Minuten ist die Temperatur und Dichte des Universums auf einen Punkt gefallen, an dem die Kernfusion nicht fortgesetzt werden kann.

Mit über einer Milliarde Grad sind Protonen und Neutronen also zu energiereich, um sich zu binden. Unter einer Milliarde können sie zu fusionieren beginnen und Sie beginnen, Wasserstoff zu Deuterium und Helium zu fusionieren.

Aber es gibt ein Problem,

https://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang_nucleosynthese

Wenn sich das Universum ausdehnt, kühlt es ab. Freie Neutronen und Protonen sind weniger stabil als Heliumkerne, und die Protonen und Neutronen haben eine starke Tendenz, Helium-4 zu bilden. Die Bildung von Helium-4 erfordert jedoch den Zwischenschritt der Bildung von Deuterium. Bevor die Nukleosynthese begann, war die Temperatur hoch genug, dass viele Photonen eine Energie hatten, die größer war als die Bindungsenergie von Deuterium; daher wurde jedes gebildete Deuterium sofort zerstört (eine Situation, die als Deuteriumengpass bekannt ist). Daher verzögert sich die Bildung von Helium-4, bis das Universum kühl genug geworden ist, damit Deuterium überleben kann (bei etwa T = 0,1 MeV); Danach kam es zu einem plötzlichen Ausbruch der Elementbildung. Doch sehr kurz danach, zwanzig Minuten nach dem Urknall, wurde das Universum zu kühl, als dass weitere Kernfusionen und Nukleosynthesen stattfinden könnten.

Diese Frage beantwortet ausführlich die sogenannte „Urknall-Nukleosynthese“, die Theorie über die Entstehung der Kerne im frühen Universum. Fast aus dem Nichts lässt sich feststellen, dass 75 % der Kernmasse in Wasserstoff und 25 % in Helium zustande kamen, und auch einige kleine Spuren von Lithium erschienen.

Obwohl Gamow früher dachte, dass alle Elemente im Urknall entstanden sein könnten, zeigten Alpher und Herman schnell das Gegenteil. Der Grund, warum die schwereren Elemente beim Urknall nicht erzeugt werden können, liegt darin, dass Elemente mit Massen über 56 das Einfangen von Neutronen erfordern, um erzeugt zu werden.

Supernovae sind eine großartige Umgebung für den Neutroneneinfang. Nach dem Urknall nimmt die Dichte der Neutronen jedoch ab, wenn sich das Universum ausdehnt; und nach viel mehr 10 Minuten, der Lebensdauer, zerfallen die Neutronen. Es ist nicht genug Zeit, um die schwereren Elemente zu erstellen.

Wir haben also die Zusammensetzung, die ohne Prozesse wie Neutroneneinfang erstellt wurde. Und diese bevorzugen die energetisch optimierten Kerne wie die leichten Drei. Das Problem ist wirklich, dass es nicht ganz "hohe Temperaturen" sind, die für die Erzeugung schwerer Kerne benötigt werden. Die hohe Temperatur ist „gut“ für die Erzeugung eines energetisch verschwenderischen gebundenen Zustands; aber es ist auch "gut" für ihre Zerstörung. Der Urknall ist ein Prozess, bei dem die Temperatur sinkt, sodass am Ende die energetisch sparsamen gebundenen Zustände (mit höherer Bindungsenergie) dominieren.