Первичный нуклеосинтез

Таблица происхождения химических элементов. Синим цветом обозначена доля, возникшая при первичном нуклеосинтезе.

Первичный нуклеосинтез — совокупность процессов, которые привели к образованию химического состава вещества во Вселенной до появления первых звёзд.

К началу первичного нуклеосинтеза, через 3 минуты после Большого взрыва, соотношение нейтронов и протонов составляло 1 к 7. Через 20 минут после Большого взрыва первичный нуклеосинтез завершился: в барионной массе Вселенной стали доминировать водород (75 % массы) и гелий (25 % массы). В меньшем количестве образовались дейтерий, гелий-3 и литий-7, другие же элементы сформировались в незначительном количестве. Наблюдаемое содержание различных элементов достаточно хорошо сходится с теоретически предсказанным, за исключением содержания лития-7. Несмотря на это исключение, считается, что реальная распространённость химических элементов хорошо описывается существующей теорией и свидетельствует о правильности современных представлений о Большом взрыве.

Описание

Первичный нуклеосинтез — совокупность процессов, которые привели к образованию химического состава вещества во Вселенной до появления первых звёзд.

Предшествующие события

В момент времени 0,1 с после Большого взрыва температура Вселенной составляла около 3⋅10¹⁰ K, а её вещество представляло собой электрон-позитрон-нейтринную плазму, в которой в небольшом количестве имелись нуклоны: протоны и нейтроны. В таких условиях происходили постоянные превращения протонов в нейтроны и обратно в следующих реакциях:

${\ce {n~{+}~e^{+}<=>p~{+}~{\tilde {\nu _{e}}}}}$

${\ce {n + \nu_{e}<=> p + e^-}}$

${\ce {n<=>p~{+}~e^{-}~{+}~{\tilde {\nu _{e}}}}}$

Первоначально прямые и обратные реакции уравновешивали друг друга, и равновесная доля нейтронов от всех нуклонов $X_{\text{n}}$ зависела от температуры $T$:

$X_{\text{n}}={\frac {1}{1+\exp \left({\frac {Q}{kT}}\right)}},$

где $Q$ — разность энергий покоя нейтрона и протона, равная 1,29 МэВ, а $k$ — постоянная Больцмана. Когда температура снизилась до 3⋅10⁹ K, что соответствует возрасту Вселенной в 10 секунд, эти реакции практически прекратились, а равновесие перестало сохраняться — в этот момент значение $X_{\text{n}}$ составило около 0,17. Превращение нейтронов в протоны стало идти посредством бета-распада нейтрона со временем жизни около 880 секунд, и $X_{\text{n}}$ стало убывать экспоненциально: к моменту начала первичного нуклеосинтеза, через 3 минуты после Большого взрыва, $X_{\text{n}}$ снизилось до приблизительно 0,125, то есть на 1 нейтрон приходилось 7 протонов.

Процесс

Основные реакции первичного нуклеосинтеза

Зависимость количества различных элементов от времени после Большого взрыва

Когда с момента Большого взрыва прошло около 3 минут, температура Вселенной стала ниже 10⁹ K. После этого стало возможно образование стабильных ядер дейтерия (дейтронов) при столкновении протона и нейтрона, практически все из которых в цепочке реакций превращались в более стабильные ядра гелия. Таким образом, практически все нейтроны в результате нуклеосинтеза оказались в ядрах гелия путём следующих реакций:

${\ce {p + n -> d + \gamma}}$

${\ce {d + d -> ^3_1H + p}}$

${\ce {d + d -> ^3_2He + n}}$

${\ce {d + ^3_1 H -> ^4_2He + n}}$

${\ce {d + ^3_2 He -> ^4_2He + p}}$

Образование дейтронов было возможно и при более высоких температурах, но в таких условиях они были нестабильны и быстро распадались, а из-за невысокой плотности вещества столкновение двух ядер дейтерия с образованием более стабильного ядра было маловероятно. Тем не менее, возможны реакции с участием одного ядра дейтерия и одного нуклона, хотя их характерные сечения малы:

${\ce {d + n -> ^3_1H + \gamma}}$

${\ce {d + p -> ^3_2He + \gamma}}$

Некоторая часть ядер гелия-4 сформировала литий. К образованию лития-7 приводили следующие реакции:

${\ce {^3_1 H + ^4_2 He -> ^7_3 Li + \gamma}}$

${\ce {^3_2 He + ^4_2 He -> ^7_4 Be + \gamma}}$

${\ce {{^{7}_{4}Be}+e^{-}->{^{7}_{3}Li}+\nu _{e}}}$

Формирование этих химических элементов завершилось, когда после Большого взрыва прошло 20 минут. Кроме этих элементов, при первичном нуклеосинтезе образовались и более тяжёлые ядра, однако из-за отсутствия стабильных ядер с атомным весом 5 или 8 доля этих элементов оказалась ничтожной (см. ниже).

Результаты

Когда первичный нуклеосинтез завершился, большая часть протонов — ядер водорода — осталась в свободном состоянии, составив 75 % барионной массы Вселенной. Ядра гелия-4 составили около 25 % барионной массы — эта величина зависит от доли нейтронов среди всех нуклонов и с хорошей точностью вдвое превышает её, поскольку ядро гелия содержит 2 протона и 2 нейтрона.

Менее распространёнными изотопами оказались дейтерий, гелий-3 и литий-7. По наблюдательным данным относительное содержание дейтерия составило 2,5⋅10⁻⁵, гелия-3 — 0,9—1,3⋅10⁻⁵, лития-7 — 1,6⋅10⁻¹⁰, что в целом сходится с теоретическими предсказаниями (см. ниже). Также образовалось сопоставимое количество трития и бериллия-7, но эти изотопы нестабильны и после завершения первичного нуклеосинтеза распались: тритий превратился в гелий-3 путём бета-распада, а бериллий-7 — в литий-7 путём электронного захвата:

${\ce {^{3}_{1}H->_{2}^{3}He~{+}~e^{-}~{+}~{\tilde {\nu _{e}}}}}$

${\ce {^7_4 Be + e^- -> ^7_3 Li + \nu_{e}}}$

Доли других элементов в веществе, которое образовалось при первичном нуклеосинтезе, оказались незначительными: например, относительное содержание бора-11 составило около 3⋅10⁻¹⁶, а углерода, азота и кислорода в сумме ― 10⁻¹⁵. Эти элементы в таком малом количестве не могли как-либо повлиять на параметры и эволюцию первых звёзд, которые сформировались из этого вещества.

Проверка космологических параметров

Зависимость количества элементов, образовавшихся при первичном нуклеосинтезе, от отношения числа барионов к числу фотонов во Вселенной

Наблюдаемые результаты первичного нуклеосинтеза дают возможность проверить, насколько правильными являются соответствующие теоретические модели. Так, например, стандартная модель первичного нуклеосинтеза — сценарий, где физика элементарных частиц описывается стандартной моделью, а космология — моделью ΛCDM, имеет лишь один свободный параметр $\eta$: отношение числа барионов во Вселенной к числу фотонов. Поскольку число фотонов известно из наблюдений реликтового излучения, то $\eta$ зависит только от плотности барионов во Вселенной.

От параметра $\eta$ зависит содержание элементов первичного нуклеосинтеза. С ростом $\eta$ понижается конечное содержание дейтерия и гелия-3: чем больше барионная плотность, тем быстрее и эффективнее идут реакции превращения этих ядер в ядра гелия-4, и тем меньше их остаётся к завершению первичного нуклеосинтеза. Наоборот, содержание гелия-4 возрастает при увеличении $\eta$, хотя и довольно медленно: чем выше барионная плотность, тем раньше начинается первичный нуклеосинтез и тем большую долю от всех нуклонов составляют нейтроны, практически все из которых связываются в ядра гелия. Зависимость конечного содержания лития-7 от $\eta$ немонотонна и имеет минимум при $\eta$ около 2—3⋅10⁻¹⁰ — это связано с тем, что литий образуется в двух цепочках реакций, одна из которых идёт при малых $\eta$, а другая — при больших, кроме того, вместе с образованием ядер лития шёл их распад.

Таким образом, если стандартная модель первичного нуклеосинтеза верна, то содержание различных химических элементов должно соответствовать одному и тому же $\eta$. Эту величину возможно измерить и другими методами, например, по параметрам анизотропии реликтового излучения — такая оценка $\eta$ также должна согласовываться с распространённостью химических элементов. Оценка $\eta$, полученная по данным WMAP, равна 6,2⋅10⁻¹⁰ и соответствует данным о содержании дейтерия, гелия-3 и гелия-4; для лития-7 теоретическая оценка в 4 раза превышает наблюдаемое значение. Для решения этой проблемы предлагаются различные решения, но в целом считается, что реальная распространённость химических элементов хорошо описывается существующей теорией и свидетельствует о правильности современных представлений о Большом взрыве.

Литература

• Вайнберг С. Космология. — М.: УРСС, 2013. — 608 с. — ISBN 978-5-453-00040-1.
• Сильченко О. К. Происхождение и эволюция галактик / под редакцией В. Г. Сурдина. — Фрязино: Век 2, 2017. — 224 с. — 1500 экз. — ISBN 978-5-85099-196-8. Архивная копия от 31 августа 2021 на Wayback Machine