Mengapa Big Bang tidak menghasilkan elemen yang lebih berat?

Tak lama setelah Big Bang, suhu mendingin dari suhu Planck. Setelah suhu diturunkan menjadi 116 gigakelvin, nukleosintesis terjadi dan sejumlah helium, litium, dan trace elemen lainnya diciptakan.

Namun, jika suhunya begitu tinggi tak lama setelah Big Bang, mengapa tidak banyak unsur yang lebih berat dihasilkan? 116 gigakelvin jelas jauh di atas suhu yang diperlukan untuk unsur-unsur seperti karbon dan oksigen untuk melebur. Selain itu, bukankah sebagian besar proton pada suhu tersebut telah menyatu, meninggalkan Semesta dengan elemen yang lebih berat?

Saya pikir proses berpikir Anda cacat karena Anda berasumsi bahwa dengan meningkatkan suhu secara drastis, Anda dijamin akan mendapatkan elemen berat. Walaupun kedengarannya aneh, ini bukan masalahnya (terutama selama Big Bang Nucleosynthesis (BBN)) karena beberapa alasan. Bahkan, jika Anda mengambil bintang hidrogen saja dan membuatnya menjadi supernova, Anda tidak akan mendapatkan elemen berat seperti yang Anda lihat di bintang saat ini adalah supernova.

BBN Timescale

Satu poin utama yang perlu dipertimbangkan adalah bahwa era BBN dihitung hanya ~ 20 menit. Itu tidak terlalu banyak waktu untuk membentuk elemen. Tentu, supernova terjadi dalam sekejap, tetapi ada hal-hal lain yang terjadi di sana, yang akan saya bahas sebentar lagi. Poin utama di sini adalah bahwa sekering membutuhkan waktu dan 20 menit tidak terlalu banyak waktu untuk membentuk elemen berat.

Deuterium

Untuk mendapatkan elemen yang berat, Anda harus membangunnya. Anda tidak bisa menghancurkan 50 proton dan 50 neutron dan mendapatkan timah. Jadi langkah pertama adalah menghancurkan proton dan neutron untuk mendapatkan deuterium, tetapi di sini Anda telah mengalami masalah yang dikenal sebagai hambatan deuterium. Ternyata, suhu yang sangat besar sebenarnya (dan agak berlawanan dengan intuisi) menghambat penciptaan deuterium. Ini terutama karena deuteron pada akhirnya memiliki begitu banyak energi sehingga akan dapat mengatasi energi ikat (dan deuterium memiliki energi ikat yang cukup rendah yaitu hanya dua nukleonnya) dan kemungkinan akan pecah kembali. Tentu saja, mengingat kepadatan dan suhu Anda masih bisa mendapatkan jumlah deuterium yang baik hanya dengan paksaan, tetapi tidak sebanyak dan tidak pada tingkat yang Anda harapkan sebaliknya. Poin lain yang membuat bentuk deuterium lebih jarang dari yang Anda harapkan secara naif adalah rasio proton terhadap neutron sebelum BBN sekitar 7: 1 karena proton lebih disukai untuk dibuat karena memiliki massa yang sedikit lebih rendah. Jadi 6 dari 7 proton tidak memiliki neutron yang sesuai untuk bergabung dan harus menunggu deuterium terbentuk terlebih dahulu sebelum dapat bergabung dengan apa pun.

Tritium, Helium, Lithium, Ya ampun!

Deuterium kemudian menjadi katalis untuk membentuk semua tahap partikel berikutnya dalam sup Anda. Dari sini Anda dapat melempar mereka bersama-sama dengan berbagai hal lain untuk mendapatkan , , dan . Setelah Anda mendapatkan sejumlah besar isotop deuterium, tritium, dan helium melayang-layang, Anda dapat mulai membuat lithium dan jika Anda beruntung sedikit berilium.$^3\mathrm{He}$$^3\mathrm{H}$$^4\mathrm{He}$

Untuk Boron dan Beyond

Tapi sekarang, sekali lagi Anda mengalami kemacetan, dan satu lebih parah dari kemacetan deuterium. Anda tidak dapat dengan mudah melompat ke elemen yang lebih berat dengan apa yang Anda miliki. Rantai fusi berikutnya, dan cara bintang melakukannya, adalah proses triple-alpha yang membantu membentuk karbon tetapi untuk melakukan rantai ini dan membangun karbon yang cukup, Anda memerlukan banyak waktu. Dan kita hanya punya 20 menit! Tidak ada waktu untuk membentuk karbon yang kita butuhkan untuk maju sepanjang siklus fusi. Seperti yang saya sebutkan di awal, bintang hidrogen murni juga tidak akan menghasilkan elemen berat pada supernova karena alasan ini. Mereka dapat menghasilkan elemen berat sekarang karena mereka telah memiliki miliaran tahun sebelum acara SN mereka untuk membangun jumlah dasar karbon, nitrogen, oksigen, dll. Yang dapat membantu dalam proses fusi elemen berat.

Jadi Anda tidak punya waktu untuk mengikuti proses triple alpha dan menghasilkan karbon - bagaimana dengan proses lain? Tentunya suhunya cukup tinggi sehingga Anda dapat melakukan berbagai metode fusi yang tidak terlihat pada bintang. Ya ... tidak. Anda bahkan tidak dapat menghancurkan banyak atau untuk mendapatkan elemen yang sangat berat karena fakta bahwa inti yang berat hanya stabil jika memiliki lebih banyak neutron daripada proton. Dan kami sudah mengatakan ada kekurangan neutron besar sejak awal sehingga kemungkinan Anda memiliki cukup neutron berkeliaran untuk menghancurkan bersama untuk mendapatkan, katakan$\mathrm{He}$$\mathrm{Li}$$^{112}\mathrm{Sn}$(Itu timah dengan 62 neutron), cukup kecil. Terlebih lagi, Anda bahkan tidak dapat mencoba untuk melewatkan karbon dengan membuat sesuatu yang sedikit lebih berat atau membentuk sesuatu perantara antara lithium dan karbon. Sekali lagi, ini karena masalah stabilitas. Jadi tanpa pilihan lain, Anda harus menembak karbon setelah lithium, dan seperti yang disebutkan di atas, Anda tidak punya waktu untuk itu.

TL; DR

Secara keseluruhan, BBN terbatas hanya untuk mendapatkan lithium karena waktu yang terbatas, rasio proton terhadap neutron, dan bottleneck fusi yang memperlambat segalanya. Semua ini bersatu untuk menghasilkan ~ 75% , ~ 25% , ~ 0,01% dan , dan melacak jumlah dari .$^1\mathrm{H}$$^4\mathrm{He}$$^2\mathrm{H}$$^3\mathrm{He}$$\mathrm{Li}$