Первичный нуклеосинтез

Первичный нуклеосинтез (Big Bang Nucleosynthesis, BBN) — процесс образования лёгких атомных ядер (водород, гелий-4, дейтерий, гелий-3, литий-7) в первые 3-20 минут после Большого взрыва при температуре около миллиарда градусов. Предсказанные соотношения элементов точно совпадают с наблюдениями — одно из ключевых доказательств теории Большого взрыва.

Первые три минуты: слишком горячо

В первые секунды после Большого взрыва температура Вселенной превышала 10¹⁰ K (10 миллиардов градусов). При такой температуре протоны и нейтроны не могли объединиться в ядра — любое ядро мгновенно разрушалось высокоэнергетическими фотонами. Вселенная представляла собой «суп» из элементарных частиц: протонов, нейтронов, электронов, нейтрино и фотонов.

К 3-й минуте температура упала до ~10⁹ K (миллиард градусов) — достаточно, чтобы протоны и нейтроны начали «склеиваться» в ядра, но ещё слишком горячо для тяжёлых элементов. Началось окно синтеза, длившееся около 17 минут.

Цепочка реакций: от протонов к гелию

Первый шаг: протон + нейтрон → дейтерий (тяжёлый водород, ²H). Дейтерий — промежуточное звено, «бутылочное горлышко» нуклеосинтеза. При слишком высокой температуре дейтерий разрушается (deuterium bottleneck), при слишком низкой — реакции замедляются.

Второй шаг: дейтерий + протон → гелий-3 (³He), и дейтерий + нейтрон → тритий (³H). Третий шаг: гелий-3 + нейтрон → гелий-4 (⁴He), или тритий + протон → гелий-4. Гелий-4 — самое стабильное лёгкое ядро, и большинство нейтронов оказывается «запертым» в нём.

Следовые количества лития-7 (⁷Li) образуются через промежуточный бериллий-7. Ничего тяжелее лития в первичном нуклеосинтезе не синтезируется — для этого нужна плотность и температура недр звёзд.

Результат: 75% водорода, 25% гелия

К 20-й минуте температура упала ниже порога ядерных реакций, и синтез прекратился. Итоговый состав Вселенной по массе: ~75% водород (¹H), ~25% гелий-4 (⁴He), ~0.01% дейтерий (²H), следы гелия-3 и лития-7. Все остальные элементы (углерод, кислород, железо, золото) будут синтезированы позже — в недрах звёзд и при взрывах сверхновых.

Соотношение 75/25 — прямое следствие соотношения протонов к нейтронам (~7:1 к моменту начала синтеза). На каждые 14 протонов приходилось 2 нейтрона. Два нейтрона + два протона → одно ядро гелия-4. Оставшиеся 12 протонов остаются водородом. По массе: 4/(4+12) = 25% гелия.

Почему это важно

Предсказания BBN были сделаны Ральфом Алфером и Джорджем Гамовым в 1948 году — за 16 лет до открытия реликтового излучения. Измеренное содержание дейтерия, гелия-4 и лития-7 в древнейших звёздах и межгалактическом газе совпадает с расчётами с точностью до процентов. Это одно из трёх столпов теории Большого взрыва (наряду с расширением Вселенной и реликтовым излучением).

Единственное расхождение — «проблема лития»: наблюдаемое содержание лития-7 в 3 раза ниже предсказанного. Это открытая проблема космологии, возможно указывающая на неизвестную физику.