Pourquoi le Big Bang n'a-t-il pas produit d'éléments plus lourds?

Peu de temps après le Big Bang, les températures se sont refroidies à partir de la température de Planck. Une fois les températures abaissées à 116 gigakelvines, la nucléosynthèse a eu lieu et l'hélium, le lithium et des traces d'autres éléments ont été créés.

Cependant, si les températures étaient si élevées peu de temps après le Big Bang, pourquoi n'y a-t-il pas eu de production d'éléments beaucoup plus lourds? 116 gigakelvins est évidemment bien au-dessus de la température requise pour que des éléments comme le carbone et l'oxygène fusionnent. De plus, la plupart des protons à ces températures ne devraient-ils pas avoir fusionné, laissant l'Univers avec des éléments principalement plus lourds?

Je pense que votre processus de pensée est défectueux en ce que vous supposez qu'en augmentant considérablement la température, vous êtes assuré d'obtenir des éléments lourds. Aussi étrange que cela puisse paraître, ce n'est pas le cas (en particulier pendant la nucléosynthèse du Big Bang (BBN)) pour plusieurs raisons. En fait, si vous preniez une étoile contenant uniquement de l'hydrogène et la transformiez en supernova, vous n'obtiendrez pas d'éléments lourds comme vous le voyez dans les étoiles actuelles devenant supernova.

BBN Timescale

Un point majeur à considérer est que l'ère BBN est calculée pour ne durer que ~ 20 min. Ce n'est pas vraiment beaucoup de temps pour former des éléments. Bien sûr, les supernovae se produisent en un éclair instantané, mais il se passe d'autres choses là-bas, que j'aborderai dans une seconde. Le point principal ici est que la fusion prend du temps et 20 minutes ne sont pas très longues pour former des éléments lourds.

Deutérium

Pour obtenir des éléments lourds, vous devez les accumuler. Vous ne pouvez pas simplement casser 50 protons et 50 neutrons et obtenir de l'étain. La première étape consiste donc à briser ensemble un proton et un neutron pour obtenir du deutérium, mais ici vous rencontrez déjà un problème connu sous le nom de goulot d'étranglement au deutérium. Il s'avère que les énormes températures empêchent en fait (et de manière quelque peu contre-intuitive) la création de deutérium. Cela est principalement dû au fait que le deutéron finira par avoir tellement d'énergie qu'il sera en mesure de surmonter l'énergie de liaison (et que le deutérium a une énergie de liaison assez faible étant que ses deux seuls nucléons) et se séparera probablement à nouveau. Bien sûr, étant donné la densité et la température, vous pouvez toujours obtenir une bonne quantité de deutérium simplement par la force de la volonté, mais pas autant et pas au rythme auquel vous vous attendriez autrement. Un autre point qui fait que le deutérium se forme moins fréquemment que vous vous en doutez naïvement est que le rapport proton / neutron avant BBN était d'environ 7: 1 car le proton est plus favorable à la création car il a une masse légèrement inférieure. Donc, 6 protons sur 7 n'avaient pas de neutron correspondant à combiner et devaient attendre que le deutérium se forme d'abord avant de pouvoir se combiner avec quoi que ce soit.

Tritium, hélium, lithium, oh mon Dieu!

Le deutérium est alors le catalyseur pour former toutes les étapes suivantes des particules dans votre soupe. De là, vous pouvez les associer à diverses autres choses pour obtenir , et . Une fois que vous avez une bonne quantité d'isotopes de deutérium, de tritium et d'hélium flottant, vous pouvez commencer à fabriquer du lithium et si vous êtes chanceux un peu de béryllium.3 H 4 H $^3\mathrm{He}$$^3\mathrm{H}$$^4\mathrm{He}$

Vers le bore et au-delà

Mais maintenant, encore une fois, vous rencontrez un goulot d'étranglement, et un plus grave que le goulot d'étranglement du deutérium. Vous ne pouvez pas facilement passer à des éléments plus lourds avec ce que vous avez sous la main. La prochaine chaîne de fusion, et la façon dont les étoiles le font, est le processus triple-alpha qui aide à former du carbone, mais pour effectuer cette chaîne et accumuler suffisamment de carbone, vous avez besoin de beaucoup de temps. Et nous n'avons que 20 minutes! Il n'y a tout simplement pas le temps de former le carbone dont nous avons besoin pour progresser tout au long du cycle de fusion. Comme je l'ai laissé entendre au début, les étoiles d'hydrogène pur ne produiraient pas non plus d'éléments lourds sur la supernova pour cette raison. Ils sont capables de produire des éléments lourds maintenant parce qu'ils ont eu des milliards d'années avant leur événement SN pour accumuler une quantité de base de carbone, d'azote, d'oxygène, etc. qui peut aider dans les processus de fusion des éléments lourds.

Vous n'avez donc pas le temps de suivre le processus du triple alpha et de produire du carbone - qu'en est-il des autres processus? Certes, les températures sont suffisamment élevées pour que vous puissiez faire différentes méthodes de fusion que l'on ne voit pas dans les étoiles. Et bien non. Vous ne pouvez même pas briser ensemble beaucoup de ou pour obtenir des éléments vraiment lourds car les noyaux lourds ne sont stables que s'ils ont bien plus de neutrons que de protons. Et nous avons déjà dit qu'il y avait une grande carence en neutrons dès le début, donc la chance que vous ayez suffisamment de neutrons qui traînent pour se briser ensemble, disonsL i 112 S $\mathrm{He}$$\mathrm{Li}$$^{112}\mathrm{Sn}$(c'est l'étain avec 62 neutrons), est assez petit. De plus, vous ne pouvez même pas essayer de sauter le carbone en faisant quelque chose de légèrement plus lourd ou de former quelque chose d'intermédiaire entre le lithium et le carbone. Encore une fois, cela est dû à des problèmes de stabilité. Donc, sans aucune autre option, vous devez viser le carbone après le lithium, et comme indiqué ci-dessus, vous n'avez tout simplement pas le temps pour cela.

TL; DR

Dans l'ensemble, BBN se limite à se rendre uniquement au lithium en raison du temps limité, des rapports d'abondance proton / neutron et des goulots d'étranglement de fusion qui ralentissent les choses. Tous ces éléments se réunissent pour produire ~ 75% , ~ 25% , ~ 0,01% et , et des quantités de trace de .4 H e 2 H 3 H e L $^1\mathrm{H}$$^4\mathrm{He}$$^2\mathrm{H}$$^3\mathrm{He}$$\mathrm{Li}$