Кіріспе
Физикалық космологияда, Үлкен жарылыс нуклеосинтезі (алғашқы нуклеосинтез деп те аталады және BBN деп қысқартылады) Ғаламдағы гелийдің көп бөлігінің қалыптасуына жауапты деп саналады (гелийдің изотопы 4 (4He)), сондай-ақ сутегінің изотопы дейтерийдің (2H немесе D) шағын үлесі, гелийдің изотопы 3He (3He) және литийдің изотопы литий 7 (7Li) өте аз мөлшерде. Бұл тұрақты ядролардан өзге, екі тұрақсыз немесе радиоактивті изотоп пайда болды: ауыр сутегінің изотопы тритий (3H немесе T) және бериллий изотопы бериллий 7 (7Be). Бұл тұрақсыз изотоптар кейін 3He және 7Li болып ыдырады, жоғарыда айтылғандай. Литийден ауыр элементтердің Ғаламның кейінгі өмірінде жұлдыздардың нуклеосинтезі арқылы – жұлдыздардың қалыптасуы, эволюциясы және өлімі процестері нәтижесінде пайда болған деп есептеледі.
In physical cosmology, Big Bang nucleosynthesis (also known as primordial nucleosynthesis, and abbreviated as BBN) It is thought to be responsible for the formation of most of the universe's helium (as isotope helium 4 (4He)), along with small fractions of the hydrogen isotope deuterium (2H or D), the helium isotope helium 3 (3He), and a very small fraction of the lithium isotope lithium 7 (7Li). In addition to these stable nuclei, two unstable or radioactive isotopes were produced: the heavy hydrogen isotope tritium (3H or T) and the beryllium isotope beryllium 7 (7Be). These unstable isotopes later decayed into 3He and 7Li, respectively, as above. Elements heavier than lithium are thought to have been created later in the life of the Universe by stellar nucleosynthesis, through the formation, evolution and death of stars.
Маңызды параметрлер
BBN кезінде жеңіл элементтердің пайда болуы бірқатар параметрлерге тәуелді болды; олардың арасында нейтрон-протон қатынасы (стандартты модель физикасы бойынша есептелуі мүмкін) және барион-фотон қатынасы болды.
Тізбе
Үлкен жарылыс ядролық синтезі Үлкен жарылыстан кейін шамамен 20 секунд өткенде басталды, осы уақытқа дейін ғаламның температурасы дейтерий ядроларының жоғары энергиялы фотондармен ыдырауынан аман қалуы үшін жеткілікті түрде төмендеді. (Нейтрон-протонның тоқтау уақыты одан бұрын болғандығын ескеріңіз). Бұл уақыт қараңғы материяның мөлшеріне тәуелді емес, себебі ғалам көп уақытқа дейін сәулеленумен доминирленді, ал осы доминантты компонент температура мен уақыт арақатынасын анықтайды. Осы кезде әр нейтронға шамамен алты протон келді, бірақ нейтрондардың бір бөлігі келесі жүз секунд ішінде бірігуге үлкермей ыдырайды, сондықтан ядролық синтез аяқталғанда әр нейтронға шамамен жеті протон сай келеді және нейтрондардың баршасы гелий-4 ядроларының құрамында болады. Ядролық синтездің (BBN) ерекшеліктерінің бірі – осы энергия деңгейіндегі материяның мінез-құлқына басшылық ететін физикалық заңдар мен тұрақтылар жақсы зерттелген, сондықтан BBN ғаламның өміріндегі алдыңғы кезеңдерге тән болжамдық белгісіздіктерден мүлдем айырылады. Тағы бір ерекшелік – ядролық синтез процесі ғаламның өмірінің осы кезеңінің бастапқы жағдайларымен анықталады және одан бұрын болған оқиғаларға тәуелді емес. Ғалам кеңейген сайын салқындайды. Бос нейтрондар гелий ядроларына қарағанда тұрақсыз, ал протон мен нейтрондар гелий-4 құрауға бейім. Дегенмен, гелий-4 құрау үшін дейтерийдің алдымен түзілуі қажет. Ядролық синтез басталғанға дейін температура көптеген фотондардың энергиясы дейтерийдің байланыс энергиясынан жоғары болуы үшін жеткілікті болды, сондықтан түзілген дейтерий бірден жойылды (бұл жағдай "дейтерий тұйыққа тірелуі" деп аталады). Сондықтан гелий-4 түзілуі ғаламның температурасы дейтерийдің сақталуына мүмкіндік беретіндей деңгейге (шамамен T = 0,1 МэВ) жеткенше кешіктірілді, содан кейін элементтердің кенеттен пайда болуы орын алды. Алайда, одан көп ұзамай, Үлкен жарылыстан кейін шамамен жиырма минут өткенде температура мен тығыздық маңызды синтез процестерінің жүруі үшін тым төмен болды. Осы сәтте элементтердің мөлшері дерлік өзгермейтін болды, ал болатын өзгерістер BBN-нің екі маңызды тұрақсыз өнімі – тритий мен бериллий-7-нің радиоактивті ыдырауының нәтижесінде туды.
Теорияның тарихы
Үлкен жарылыс ядролық синтезінің тарихы 1940 жылдары Ральф Альфердің есептеулерімен басталды. Альфер Альфер–Бете–Гамов мақаласын жариялады, онда ерте ғаламдағы жеңіл элементтердің пайда болуы туралы теория баяндалған.
Ауыр элементтер
Үлкен жарылыс нуклеосинтезі литийден ауыр элементтердің ядроларын өте аз мөлшерде өндірді, себебі бір тосқауыл болды: 8 немесе 5 нуклоны бар тұрақты ядроның болмауы. Бұл үлкен атомдардың жетіспеушілігі сондай-ақ Үлкен жарылыс нуклеосинтезі кезінде литий-7 мөлшерін де шектеді. Жұлдыздарда тосқауыл үш еселік гелий-4 ядроларының соқтығысуы арқылы асып түседі, нәтижесінде көміртегі (үштік альфа процесі) пайда болады. Дегенмен, бұл процесс өте баяу және одан да жоғары тығыздық талап етеді, жұлдызда гелийдің маңызды мөлшерін көміртегіге айналдыруға он мыңдаған жылдар қажет, сондықтан Үлкен жарылыстан кейінгі алғашқы минуттарда оның үлесі мардымсыз болды. Үлкен жарылыс нуклеосинтезінде түзілген CNO изотоптарының күтілетін мөлшері H-қа қарағанда 10−15 шамасында болады, бұл оларды анықтау мүмкін емес және елеусіз етеді. Шындығында, бериллийден оттегіге дейінгі элементтердің алғашқы изотоптарының ешқайсысы әлі анықталған жоқ, бірақ бериллий мен бордың изотоптары болашақта анықталуы мүмкін. Қазіргі уақытқа дейін Үлкен жарылыс нуклеосинтезіне дейін немесе оның кезінде жасалған жалғыз тұрақты нуклидтер – протий, дейтерий, гелий-3, гелий-4 және литий-7 болып табылады.
Гелий-4
Үлкен жарылыс нуклеосинтезі ғаламның бастапқы жағдайларына қарамастан, масса бойынша шамамен 25% гелий-4 бастапқы мөлшерін болжайды. Әлем протондар мен нейтрондар бір-біріне оңай түрленіп, ыстық болған кезде, олардың арақатынасы, тек салыстырмалы массаларымен анықталып, шамамен 1 нейтронға 7 протонды құрады (нейтрондардың протонға ыдырауына мүмкіндік беріледі). Температура жеткілікті түрде төмендегеннен кейін, нейтрондар тез арада бірдей сандағы протондармен байланысып, алдымен дейтерий, содан кейін гелий-4 құрады. Гелий-4 өте тұрақты және егер процесс қысқа уақытқа созылса, тізбектің соңы болады, себебі гелий оңай ыдырамайды және ауыр ядроларды құру үшін тез арада қосылмайды (массалық саны 5 немесе 8 болатын тұрақты ядролар болмағандықтан, гелий протондармен де, өзімен де оңай қосылмайды). Температура төмендеген кезде, әрбір 16 нуклонның (2 нейтрон және 14 протон) ішінде 4-еуі (барлық бөлшектердің 25% және барлық масса) бір гелий-4 ядросын құру үшін тез бірігеді. Бұл әр 12 сутегіге бір гелийді тудырады, нәтижесінде ғалам атомдар саны бойынша 8%-дан астам гелийден және масса бойынша 25% гелийден тұрады. Гелий-4-ті күл ретінде қарастыруға болады, ал ағаш жаққанда түзілетін күлдің мөлшері, оны қалай жаққанына тәуелсіз. Гелий-4 мөлшеріне қатысты BBN теориясын қолдану қажет, себебі ғаламдағы гелий-4 мөлшері жұлдыздық нуклеосинтезбен түсіндірілуге тым көп. Бұдан өзге, бұл Үлкен жарылыс теориясының маңызды тестін ұсынады. Егер байқалған гелий мөлшері 25%-дан айтарлықтай өзгеше болса, онда бұл теорияға үлкен сын тудырады. Бұл әсіресе гелий-4-тің ертедегі мөлшері 25%-дан кем болған жағдайда маңызды, себебі гелий-4-ті жою қиын. 1990 жылдардың ортасындағы бірнеше жыл бойы жүргізілген бақылаулар мұндай жағдай болуы мүмкін екенін көрсетті, бұл астрофизиктерді Үлкен жарылыс нуклеосинтезі дағдарысы туралы сөйлеуге итерді, бірақ кейінгі бақылаулар Үлкен жарылыс теориясын растады.
Дютерий
Деутерий кейбір жағынан гелий-4-ке қарама-қарсы, өйткені гелий-4 өте тұрақты және оны жою қиын, ал деутерий шамалы ғана тұрақты және оны жою оңай. Температура, уақыт және тығыздық дейтерий ядроларының айтарлық бөлігін гелий-4 құрау үшін біріктіруге жеткілікті болды, бірақ келесі термоядролық реакция кезеңінде гелий-4-ті пайдалану арқылы процесті одан әрі жалғастыруға жеткіліксіз болды. BBN ғаламдағы барлық дейтерийді гелий-4-ке айналдырмады, себебі ғаламның кеңеюі салдарынан оның температурасы төмендеп, тығыздығы азайды, бұл түрленуді одан әрі дамуына мүмкіндік бермей тоқтатты. Мұның бір салдары – гелий-4-тен айырмашылығы, дейтерий мөлшері бастапқы жағдайларға өте сезімтал. Алғашқы ғалам неғұрлым тығыз болса, уақыт біткенше дейтерийдің көбірек бөлігі гелий-4-ке айналып, дейтерийдің қалдығы азаяр еді. Үлкен жарылыстан кейін маңызды мөлшерде дейтерий тудыратын ешқандай процесс белгілі емес. Сондықтан дейтерийдің көптігі туралы байқаулар ғаламның шексіз емес екенін көрсетеді, бұл Үлкен жарылыс теориясымен сәйкес келеді. 1970 жылдары дейтерийді өндіретін процестерді табуға көп күш жұмсалды, бірақ олар дейтерийден өзге изотоптарды өндірудің жолдарын ашты. Мәселе мынада, дейтерийдің ғаламдағы концентрациясы Үлкен жарылыс моделімен сәйкес келсе де, ғаламның көп бөлігі протон мен нейтрондардан тұрады деп есептейтін модельге сәйкес келмейді. Егер ғаламның барлығы протон мен нейтрондардан тұрады деп санасақ, ғаламның тығыздығы қазіргі уақытта байқалатын дейтерийдің көп бөлігі гелий-4-ке айналып кетер еді. Деутерийдің көптігіне қатысты қазіргі стандартты түсінік – ғаламның көп бөлігі бариондардан емес, бариондық емес материядан (қараңғы материя деп те аталады) тұрады. Бұл түсінік сонымен қатар, негізінен протон мен нейтрондардан тұратын ғаламның байқалғаннан әлдеқайда тығыз болатынын көрсететін есептеулермен де сәйкес келеді. Ядролық синтезден басқа дейтерийді өндіру өте қиын. Мұндай процесс үшін температура дейтерийді өндіруге жеткілікті жоғары болуы керек, бірақ гелий-4 өндіруге жеткілікті емес, және бұл процесс бірнеше минуттан кейін ядролық емес температураға дейін жылдам салқындауы керек. Сондай-ақ, дейтерий қайта пайда болмас бұрын одан құтылу қажет. Деутерийді бөліну арқылы өндіру де қиын. Мұнда да мәселе деутерийдің ядролық процестер нәтижесінде пайда болуының ықтималы өте төмен екендігінде, ал атом ядроларының арасындағы соқтығысулар ядролардың бірігуіне немесе бос нейтрондардың немесе альфа бөлшектерінің шығарылуына әкелуі мүмкін. 1970 жылдары ғарыштық сәулелердің шашырауы дейтерийдің көзі ретінде ұсынылды. Бұл теория дейтерийдің көптігін түсіндіре алмады, бірақ басқа жеңіл элементтердің пайда болуын түсіндіруге көмектесті.
Литий
Үлкен жарылыста пайда болған литий-7 және литий-6 мөлшері шамамен былай: литий-7 барлық алғашқы нуклидтердің 10−9 бөлігін құрайды, ал литий-6 шамамен 10−13 бөлігін құрайды.
Өлшемдер мен теорияның жай-күйі
BBN теориясы жеңіл "элементтер" – дейтерий, гелий-3, гелий-4 және литий-7 өндірісінің егжей-тегжейлі математикалық сипаттамасын береді. Атап айтқанда, теория осы элементтердің қоспасы, яғни Ұлы жарылыстың соңындағы бастапқы мөлшері туралы нақты сандық болжамдар жасайды. Бұл болжамдарды тексеру үшін бастапқы мөлшерді мүмкіндігінше дәл қайта құру қажет, мысалы, өте аз жұлдыздық нуклеосинтез жүрген астрономиялық объектілерді (мысалы, кейбір эллипстік галактикалар) немесе өте алысқа орналасқан объектілерді бақылау арқылы, осылайша олардың эволюциясының ерте сатысын көруге болады (мысалы, алыс квазарлар). Жоғарыда айтылғандай, BBN-ның стандартты түсінігінде, барлық жеңіл элементтердің мөлшері қарапайым материяның (бариондардың) сәулеленуге (фотонға) қатынасына байланысты. Әлем біртекті деп есептелгендіктен, оның барион мен фотон арақатынасының бірегей мәні бар. Ұзақ уақыт бойы, бұл BBN теориясын байқаулармен салыстыру үшін мына сұрақтар тудырды: барлық жеңіл элементтердің байқауларын барион мен фотон арақатынасының бір мәнімен түсіндіруге бола ма? Немесе, нақтырақ айтқанда, болжамдар мен байқаулардың шекті дәлдігін ескере отырып, баррионнан фотонға дейінгі арақатынастың барлық байқауларды түсіндіретін диапазоны бар ма? Соңғы уақытта сұрақ өзгерді: Вилкинсон микротолқынды анизотропиялық зонды (WMAP) және Планк арқылы ғарыштық микротолқынды фондық сәулеленуді жоғары дәлдікпен бақылау, барион мен фотон арақатынасының тәуелсіз мәнін берді. Бұл мәнді пайдаланып, BBN-ның жеңіл элементтердің мөлшері жөніндегі болжамдары байқаулармен сәйкес келе ме? Гелий-4-тің қазіргі өлшемі жақсы сәйкестікті көрсетеді, ал гелий-3 үшін одан да жақсы сәйкестік байқалады. Бірақ литий-7 үшін BBN мен WMAP/Планк арасында, сондай-ақ II популяция жұлдыздарынан алынған мөлшер арасында айтарлықтай қарама-қайшылық бар. Бұл қарама-қайшылық теориялық болжамды мәннен 2,4–4,3 есе төмен. Бұл "космологиялық литий проблемасы" деп аталатын бұл қайшылық бастапқы модельдер үшін мәселе болып саналады, ол жаңа ядролық деректерге негізделген стандартты BBN есептеулерін қайта қарауға және бастапқы протон-протон ядролық реакцияларына қатысты әртүрлі қайта бағалау ұсыныстарына әкелді, әсіресе , мен .
Стандартты емес сценарийлер
Стандартты BBN сценарийінен өзге, стандартты емес BBN сценарийлері де бар. Оларды стандартты емес космологиямен шатастыруға болмайды: стандартты емес BBN сценарийі Ұлы Жарылыс болғанын қабылдайды, бірақ бұл элементтік молықтарға қалай әсер ететінін анықтау үшін қосымша физиканы қосады. Бұл қосымша физиканың элементтері біртектілік туралы болжамды жеңілдету немесе алып тастау, немесе массивті нейтринолар сияқты жаңа бөлшектерді енгізуді қамтиды. Стандартты емес BBN-ді зерттеудің әртүрлі себептері болды және олар әлі де бар. Біріншісі, көбінесе тарихи қызығушылық тудырады, BBN болжамдары мен байқаулар арасындағы қарама-қайшылықтарды шешу. Бірақ бұл шектеулі пайдалы болды, себебі қарама-қайшылықтар жақсы байқаулар арқылы шешілді, ал көп жағдайда BBN-ді өзгерту нәтижесінде молықтардың саны байқаулармен одан да аз сәйкес келді. Стандартты емес BBN-ді зерттеудің екінші себебі, және 21-ші ғасырдың басында стандартты емес BBN-нің басты бағыты – BBN-ді белгісіз немесе гипотетикалық физикаға шектеулер қою үшін пайдалану. Мысалы, стандартты BBN BBN процесіне ешқандай экзотикалық гипотетикалық бөлшектер қатыспағанын болжайды. Бір гипотетикалық бөлшекті (мысалы, массивті нейтриноны) енгізіп, BBN байқаулардан өзгеше молықтарды болжамас бұрын не болу керектігін анықтауға болады. Бұл тұрақты тау-нейтриносының массасына шектеу қою үшін жасалды.