Warum produzierte der Urknall keine schwereren Elemente?

Ich denke, dass Ihr Denkprozess insofern fehlerhaft ist, als Sie davon ausgehen, dass Sie durch eine drastische Erhöhung der Temperatur garantiert schwere Elemente erhalten. So seltsam dies auch klingen mag, dies ist aus mehreren Gründen nicht der Fall (insbesondere während der Urknall-Nukleosynthese (BBN)). In der Tat, wenn Sie einen reinen Wasserstoffstern nehmen und ihn zu einer Supernova machen würden, würden Sie keine schweren Elemente bekommen, wie Sie es in aktuellen Sternen sehen, die zu einer Supernova werden.

BBN-Zeitskala

Ein wichtiger Punkt, den es zu berücksichtigen gilt, ist, dass die BBN-Ära auf nur etwa 20 Minuten berechnet wird. Das ist nicht wirklich viel Zeit, um Elemente zu bilden. Sicher, Supernovae passieren blitzschnell, aber da gehen noch andere Dinge vor sich, auf die ich gleich zurückkomme. Der Hauptpunkt hier ist, dass das Verschmelzen Zeit braucht und 20 Minuten nicht so viel Zeit sind, um schwere Elemente zu bilden.

Deuterium

Um schwere Elemente zu erhalten, müssen Sie sie aufbauen. Man kann nicht einfach 50 Protonen und 50 Neutronen zusammenschlagen und Zinn bekommen. Der erste Schritt besteht also darin, ein Proton und ein Neutron zusammenzuschlagen, um Deuterium zu erhalten, aber hier stößt man bereits auf ein Problem, das als Deuteriumengpass bekannt ist. Wie sich herausstellt, behindern die enormen Temperaturen tatsächlich (und etwas kontraintuitiv) die Bildung von Deuterium. Dies liegt hauptsächlich daran, dass das Deuteron am Ende so viel Energie hat, dass es die Bindungsenergie überwinden kann (und Deuterium hat eine ziemlich niedrige Bindungsenergie, da es nur zwei Nukleonen sind) und wahrscheinlich wieder auseinanderbrechen wird. Angesichts der Dichte und Temperatur können Sie natürlich immer noch eine gute Menge Deuterium einfach durch Willenskraft erhalten, aber nicht so viel und nicht in der Rate, die Sie sonst erwarten würden. Ein weiterer Punkt, der dazu führt, dass sich Deuterium weniger häufig bildet, als Sie naiv erwarten würden, ist, dass das Verhältnis von Proton zu Neutron vor BBN etwa 7: 1 betrug, da das Proton aufgrund seiner etwas geringeren Masse günstiger erzeugt werden kann. Also hatten 6 von 7 Protonen kein entsprechendes Neutron, mit dem sie sich verbinden konnten, und mussten warten, bis sich zuerst Deuterium bildete, bevor es sich mit irgendetwas verbinden konnte.

Tritium, Helium, Lithium, oh mein Gott!

Deuterium ist dann der Katalysator für die Bildung aller nächsten Partikelstufen in Ihrer Suppe. Von hier aus können Sie sie zusammen mit verschiedenen anderen Dingen werfen, um sie zu erhalten$^3\mathrm{He}$,$^3\mathrm{H}$, und$^4\mathrm{He}$. Sobald Sie eine gute Menge Deuterium-, Tritium- und Helium-Isotope im Umlauf haben, können Sie mit der Herstellung von Lithium und, wenn Sie Glück haben, ein bisschen Beryllium beginnen.

Nach Bor und darüber hinaus

Aber jetzt stoßen Sie wieder einmal auf einen Engpass, und zwar einen schwerwiegenderen als den Deuterium-Engpass. Mit dem, was Sie zur Hand haben, können Sie nicht einfach zu schwereren Elementen springen. Die nächste Fusionskette, und wie Sterne es tun, ist der Triple-Alpha-Prozess, der hilft, Kohlenstoff zu bilden, aber um diese Kette durchzuführen und genügend Kohlenstoff aufzubauen, braucht man viel Zeit. Und wir haben nur 20 Minuten! Wir haben einfach keine Zeit, den Kohlenstoff zu bilden, den wir brauchen, um im Fusionszyklus voranzukommen. Wie ich eingangs angedeutet habe, würden aus diesem Grund auch reine Wasserstoffsterne bei einer Supernova keine schweren Elemente produzieren. Sie sind jetzt in der Lage, schwere Elemente zu produzieren, weil sie Milliarden von Jahren vor ihrem SN-Ereignis hatten, um eine Grundmenge an Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff usw. aufzubauen, die bei den Fusionsprozessen schwerer Elemente helfen kann.

Sie haben also nicht die Zeit, dem Triple-Alpha-Prozess zu folgen und Kohlenstoff herzustellen – was ist mit anderen Prozessen? Sicherlich sind die Temperaturen hoch genug, um verschiedene Fusionsmethoden durchzuführen, die man bei Sternen nicht sieht. Nun ... nein. Sie können nicht einmal viele zusammenschlagen$\mathrm{He}$oder$\mathrm{Li}$um wirklich schwere Elemente zu erhalten, weil schwere Kerne nur dann stabil sind, wenn sie viel mehr Neutronen als Protonen haben. Und wir haben bereits gesagt, dass es früh einen großen Neutronenmangel gab, also die Chance, dass Sie genug Neutronen herumhängen haben, um sie zusammenzuschlagen, sagen wir$^{112}\mathrm{Sn}$(das ist Zinn mit 62 Neutronen), ist ziemlich klein. Darüber hinaus können Sie nicht einmal versuchen, Kohlenstoff zu überspringen, indem Sie etwas etwas Schwereres herstellen, oder etwas zwischen Lithium und Kohlenstoff bilden. Dies liegt wiederum an Stabilitätsproblemen. Wenn Sie also keine anderen Optionen haben, müssen Sie nach Lithium nach Kohlenstoff suchen, und wie oben erwähnt, haben Sie einfach keine Zeit dafür.

TL;DR

Insgesamt ist BBN aufgrund der begrenzten Zeit, des Verhältnisses von Protonen zu Neutronen und Fusionsengpässen, die die Dinge verlangsamen, darauf beschränkt, nur Lithium zu erreichen. All dies zusammen ergibt ~75 %$^1\mathrm{H}$, ~25%$^4\mathrm{He}$, ~0,01 %$^2\mathrm{H}$und$^3\mathrm{He}$, und Spurenmengen von$\mathrm{Li}$.