Perché il Big Bang non ha prodotto elementi più pesanti?

Poco dopo il Big Bang, le temperature si sono raffreddate dalla temperatura di Planck. Una volta che le temperature si sono abbassate a 116 gigakelvin, ha avuto luogo la nucleosintesi e sono state create elio, litio e tracce di altri elementi.

Tuttavia, se le temperature erano così alte poco dopo il Big Bang, perché non venivano prodotti elementi molto più pesanti? 116 gigakelvin sono ovviamente molto al di sopra della temperatura richiesta per la fusione di elementi come carbonio e ossigeno. Inoltre, la maggior parte dei protoni a quelle temperature non dovrebbe essersi fusa, lasciando l'Universo con elementi per lo più più pesanti?

Penso che il tuo processo di pensiero sia imperfetto in quanto supponi che aumentando drasticamente la temperatura ti assicuri di ottenere elementi pesanti. Per quanto strano possa sembrare, questo non è il caso (specialmente durante la nucleosintesi del Big Bang (BBN)) per alcuni motivi. In effetti, se prendessi una stella solo per l'idrogeno e la facessi diventare una supernova, non otterrai elementi pesanti come vedi nelle stelle attuali che diventano supernova.

BBN Timescale

Un punto importante da considerare è che l'era BBN è calcolata per essere lunga solo ~ 20 minuti. Non è davvero molto tempo per formare elementi. Certo, le supernovae accadono in un lampo istantaneo, ma ci sono altre cose che succedono lì, che vedrò tra un secondo. Il punto principale qui è che la fusione richiede tempo e 20 minuti non è molto tempo per formare elementi pesanti.

Deuterio

Per ottenere elementi pesanti, devi costruirli. Non puoi semplicemente distruggere 50 protoni e 50 neutroni e ottenere stagno. Quindi il primo passo è distruggere un protone e un neutrone per ottenere il deuterio, ma qui si incontra già un problema noto come collo di bottiglia del deuterio. A quanto pare, le enormi temperature in realtà (e in qualche modo controintuitivamente) impediscono la creazione di deuterio. Questo principalmente perché il deuterone finirà per avere così tanta energia che sarà in grado di superare l'energia di legame (e il deuterio ha energia di legame piuttosto bassa essendo i suoi soli due nucleoni) e probabilmente si romperà di nuovo. Naturalmente, data la densità e la temperatura, puoi ancora ottenere una buona quantità di deuterio semplicemente per forza di volontà, ma non tanto e non al ritmo che ti aspetteresti altrimenti. Un altro punto che rende il deuterio meno frequente di quanto ti aspetteresti ingenuamente è che il rapporto protone / neutrone prima della BBN fosse di circa 7: 1 a causa della creazione più favorevole del protone poiché aveva una massa leggermente inferiore. Quindi 6 protoni su 7 non avevano un neutrone corrispondente da combinare e dovevano attendere la formazione del deuterio prima che potesse combinarsi con qualsiasi cosa.

Trizio, elio, litio, oh mio!

$^3\mathrm{He}$$^3\mathrm{H}$$^4\mathrm{He}$

A boro e oltre

Ma ora, ancora una volta ti imbatti in un collo di bottiglia, e uno più grave del collo di bottiglia del deuterio. Non puoi saltare facilmente agli elementi più pesanti con quello che hai a portata di mano. La prossima catena di fusione, e il modo in cui lo fanno le stelle, è il processo alfa triplo che aiuta a formare il carbonio ma per eseguire questa catena e costruire abbastanza carbonio è necessario molto tempo. E abbiamo solo 20 minuti! Non c'è tempo per formare il carbonio di cui abbiamo bisogno per progredire lungo il ciclo di fusione. Come ho accennato all'inizio, anche le stelle di idrogeno puro non avrebbero prodotto elementi pesanti sulla supernova per questo motivo. Sono in grado di produrre elementi pesanti ora perché hanno avuto miliardi di anni prima del loro evento SN per costruire una quantità base di carbonio, azoto, ossigeno, ecc. Che possono aiutare nei processi di fusione degli elementi pesanti.

$\mathrm{He}$$\mathrm{Li}$$^{112}\mathrm{Sn}$(che è stagno con 62 neutroni), è piuttosto piccolo. Inoltre, non puoi nemmeno provare a saltare il carbonio facendo qualcosa di leggermente più pesante o formando qualcosa di intermedio tra litio e carbonio. Ancora una volta, ciò è dovuto a problemi di stabilità. Quindi, senza altre opzioni, devi cercare il carbonio dopo il litio e, come detto sopra, non hai tempo per farlo.

TL; DR

$^1\mathrm{H}$$^4\mathrm{He}$$^2\mathrm{H}$$^3\mathrm{He}$$\mathrm{Li}$