Первичный нуклеосинтез


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.

Первичный нуклеосинтез — совокупность процессов, которые привели к образованию химического состава вещества во Вселенной до появления первых звёзд[1].

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[2][3][комм. 1]:

Первоначально прямые и обратные реакции уравновешивали друг друга, и равновесная доля нейтронов от всех нуклонов зависела от температуры [3][4]:

где — разность энергий покоя нейтрона и протона, равная 1,29 МэВ, а 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 составило около 0,17. Превращение нейтронов в протоны стало идти посредством бета-распада нейтрона со временем жизни около 880 секунд, и стало убывать экспоненциально: к моменту начала первичного нуклеосинтеза, через 3 минуты после Большого взрыва, снизилось до приблизительно 0,125, то есть на 1 нейтрон приходилось 7 протонов[2][5][6].


Таблица происхождения химических элементов. Синим цветом обозначена доля, возникшая при первичном нуклеосинтезе.
Основные реакции первичного нуклеосинтеза
Зависимость количества различных элементов от времени после Большого взрыва
Зависимость количества элементов, образовавшихся при первичном нуклеосинтезе, от отношения числа барионов к числу фотонов во Вселенной