In der physischen Kosmologie bezieht sich Urknall nucleosynthesis (oder primordialer nucleosynthesis, abgekürzter BBN) auf die Produktion von Kernen außer denjenigen von h-1 (d. h. das normale, leichte Isotop von Wasserstoff, dessen Kerne aus einem einzelnen Proton jeder bestehen) während der frühen Phasen des Weltalls. Primordialer nucleosynthesis hat gerade ein paar Momente nach dem Urknall stattgefunden und wird geglaubt, für die Bildung eines schwereren Isotops von Wasserstoff verantwortlich zu sein, der als schwerer Wasserstoff (h-2 oder D), die Helium-Isotope Er 3 und Er 4, und die Lithiumisotope Li-6 und Li-7 bekannt ist. Zusätzlich zu diesen stabilen Kernen einige wurden nicht stabile oder radioaktive, Isotope auch während primordialen nucleosynthesis erzeugt: Tritium oder h-3; Beryllium 7 (7 Sein), und Beryllium 8 (-8) Sein. Diese nicht stabilen Isotope, die entweder verfallen oder mit anderen Kernen verschmolzen sind, um eines der stabilen Isotope zu machen.

Eigenschaften

Es gibt zwei wichtige Eigenschaften von Urknall Nucleosynthesis (BBN):

• Es hat seit nur ungefähr siebzehn Minuten gedauert (während der Periode von 3 bis ungefähr 20 Minuten vom Anfang der Raumvergrößerung. Nachdem das, die Temperatur und Dichte des Weltalls darunter gefallen sind, was für die Kernfusion erforderlich ist. Die Kürze von BBN ist wichtig, weil es Elemente verhindert hat, die schwerer sind als Beryllium davon sich zu formen, während sie zur gleichen Zeit unverbrannte leichte Elemente wie schwerer Wasserstoff erlauben, zu bestehen.
• Es war weit verbreitet, das komplette erkennbare Weltall umfassend.

Der Schlüsselparameter, der erlaubt, die Effekten von BBN zu berechnen, ist die Zahl von Fotonen pro baryon. Dieser Parameter entspricht der Temperatur und Dichte des frühen Weltalls und erlaubt, die Bedingungen zu bestimmen, unter denen Kernfusion vorkommt. Davon können wir elementaren Überfluss ableiten. Obwohl der baryon pro Foton-Verhältnis in der Bestimmung elementaren Überflusses wichtig ist, macht der genaue Wert wenig Unterschied zum gesamten Bild. Ohne Hauptänderungen zur Urknall-Theorie selbst wird BBN auf Massenüberfluss von ungefähr 75 % von h-1, ungefähr 25 % Helium 4, ungefähr 0.01 % schwerer Wasserstoff, Spur (auf der Ordnung 10) Beträge von Lithium und Beryllium und keinen anderen schweren Elementen hinauslaufen. (Spuren von Bor sind in einigen alten Sternen gefunden worden, die Frage verursachend, ob etwas Bor, das nicht wirklich durch die Theorie vorausgesagt ist, im Urknall erzeugt worden sein könnte. Die Frage wird nicht jetzt aufgelöst.) Dass der beobachtete Überfluss im Weltall mit diesen Überfluss-Zahlen allgemein im Einklang stehend ist, wird als starke Beweise für die Urknall-Theorie betrachtet.

In diesem Feld ist es üblich, um Prozentsätze durch die Masse anzusetzen, so dass 25-%-Helium 4 Mittel, dass Helium 4 Atome für 25 % der Masse verantwortlich ist, aber nur ungefähr 8 % der Atome würden Helium 4 Atome sein.

Folge

Urknall nucleosynthesis hat ungefähr drei Minuten nach dem Urknall begonnen, als sich das Weltall genug beruhigt hatte, um stabile Protone und Neutronen, danach baryogenesis zu bilden. Der Verhältnisüberfluss an diesen Partikeln folgt aus einfachen thermodynamischen Argumenten, die mit der Weise verbunden sind, wie sich die Mitteltemperatur des Weltalls mit der Zeit ändert (wenn die Reaktionen reichen mussten, sind die thermodynamisch begünstigten Gleichgewicht-Werte im Vergleich zur durch die Vergrößerung verursachten Temperaturänderung zu langsam, Überfluss wird an einem spezifischen Nichtgleichgewicht-Wert bleiben). Thermodynamik und die durch die kosmische Vergrößerung verursachten Änderungen verbindend, kann man den Bruchteil von Protonen und Neutronen berechnen, die auf der Temperatur an diesem Punkt gestützt sind. Die Antwort ist, dass es ungefähr sieben Protone für jedes Neutron am Anfang nucleogenesis gibt, ist ein Verhältnis, das stabil sogar danach nucleogenesis bleiben würde, zu Ende. Dieser Bruchteil ist zu Gunsten von Protonen am Anfang in erster Linie, weil die niedrigere Masse des Protons ihre Produktion bevorzugt. Freie Neutronen verfallen auch zu Protonen mit einer Halbwertzeit von ungefähr 15 Minuten, und diese Zeitskala ist zu lang, um die Zahl von Neutronen im Laufe der Periode zu betreffen, in der BBN in erster Linie stattgefunden hat, weil die meisten freien Neutronen bereits in den ersten 3 Minuten von nucleogenesis — eine Zeit vertieft gewesen waren, die für einen bedeutenden Bruchteil von ihnen zu kurz ist, um zu Protonen zu verfallen.

Eine Eigenschaft von BBN ist, dass die physischen Gesetze und Konstanten, die das Verhalten der Sache an diesen Energien regeln, sehr gut verstanden werden, und folglich BBN an einigen der spekulativen Unklarheiten Mangel hat, die frühere Perioden im Leben des Weltalls charakterisieren. Eine andere Eigenschaft ist, dass der Prozess von nucleosynthesis durch Bedingungen am Anfang dieser Phase des Lebens des Weltalls bestimmt wird, machend, was vorher irrelevant geschieht.

Als sich das Weltall ausbreitet, wird es kühl. Freie Neutronen und Protone sind weniger stabil als Helium-Kerne, und die Protone und Neutronen haben eine starke Tendenz, Helium 4 zu bilden. Jedoch verlangt das Formen von Helium 4 die Zwischenstufe von sich formendem schwerem Wasserstoff. Zurzeit, an dem nucleosynthesis vorkommt, ist die Temperatur für die Mittelenergie pro Partikel hoch genug, um größer zu sein, als die Bindungsenergie von schwerem Wasserstoff; deshalb wird jeder schwere Wasserstoff, der gebildet wird (eine Situation sofort zerstört, die als der Engpass des schweren Wasserstoffs bekannt ist). Folglich wird die Bildung von Helium 4 verzögert, bis das Weltall kühl genug wird, um schweren Wasserstoff (an ungefähr T = 0.1 MeV) zu bilden, wenn es einen plötzlichen Ausbruch von Element-Bildung gibt. Jedoch, sehr kurz danach, in zwanzig Minuten nach dem Urknall, wird das Weltall zu kühl für jede weitere Kernfusion und nucleosynthesis, um vorzukommen. An diesem Punkt wird der elementare Überfluss fast befestigt, und ändert sich nur als einige der radioaktiven Produkte von BBN (wie Tritium) Zerfall.

Geschichte der Theorie

Die Geschichte des Urknalls nucleosynthesis hat mit den Berechnungen von Ralph Alpher und George Gamow in den 1940er Jahren begonnen. Alpher und Gamow würden das Alpher-Bethe-Gamow Samenpapier veröffentlichen (die Hinzufügung von Bethe, weil ein Autor ein Witz war, sieh den Artikel über das Papier) das Umreißen der Theorie der Produktion des leichten Elements im frühen Weltall.

Während der 1970er Jahre gab es ein Haupträtsel darin die Dichte von baryons, wie berechnet, durch den Urknall nucleosynthesis war viel weniger als die beobachtete Masse des auf Berechnungen der Wachstumsrate gestützten Weltalls. Dieses Rätsel wurde im großen Teil durch das Verlangen der Existenz der dunklen Sache aufgelöst.

Schwere Elemente

Urknall nucleosynthesis hat keine Elemente erzeugt, die schwerer sind als Beryllium wegen eines Engpasses: die Abwesenheit eines stabilen Kerns mit 8 oder 5 Nukleonen. In Sternen wird der Engpass durch dreifache Kollisionen von Helium 4 Kerne passiert, Kohlenstoff (der Prozess des dreifachen Alphas) erzeugend. Jedoch ist dieser Prozess sehr langsam, Zehntausende von Jahren bringend, um einen bedeutenden Betrag von Helium zu Kohlenstoff in Sternen umzuwandeln, und deshalb hat es einen unwesentlichen Beitrag in den Minuten im Anschluss an den Urknall geleistet.

Helium 4

Urknall nucleosynthesis sagt einen primordialen Überfluss an ungefähr 25 % Helium 4 durch die Masse ohne Rücksicht auf die anfänglichen Bedingungen des Weltalls voraus. So lange das Weltall für Protone und Neutronen heiß genug war, um sich zu einander leicht zu verwandeln, war ihr Verhältnis, bestimmt allein durch ihre Verhältnismassen, ungefähr 1 Neutron zu 7 Protonen (einen Zerfall von Neutronen in Protone berücksichtigend). Sobald es, die mit einer gleichen Anzahl von Protonen schnell verpflichteten Neutronen kühl genug war, Helium 4 zu bilden. Helium 4 ist sehr stabil und weder verfällt noch verbindet sich leicht, um schwerere Kerne zu bilden. So aus allen 16 Nukleonen (2 Neutronen und 14 Protone) haben 4 von diesen (25 %) in ein Helium 4 Kern verbunden. Eine Analogie soll an Helium 4 als Asche denken, und der Betrag der Asche, die man bildet, wenn man völlig ein Stück von Holz verbrennt, ist dagegen unempfindlich, wie man es verbrennt.

Das Helium 4 Überfluss ist wichtig, weil es viel mehr Helium 4 im Weltall gibt als, kann durch stellaren nucleosynthesis erklärt werden. Außerdem stellt es einen wichtigen Test auf die Urknall-Theorie zur Verfügung. Wenn der beobachtete Helium-Überfluss viel von 25 % verschieden ist, dann würde das eine ernste Herausforderung an die Theorie aufstellen. Das würde besonders der Fall sein, wenn das frühe Helium 4 Überfluss war viel kleiner als 25 %, weil es hart ist, Helium 4 zu zerstören. Seit ein paar Jahren während der Mitte der 1990er Jahre haben Beobachtungen darauf hingewiesen, dass das der Fall sein könnte, Astrophysiker veranlassend, über einen Urknall nucleosynthetic Krise zu reden, aber weitere Beobachtungen waren mit der Urknall-Theorie im Einklang stehend.

Schwerer Wasserstoff

Schwerer Wasserstoff ist in mancher Hinsicht das Gegenteil von Helium 4 darin, dass, während Helium 4 sehr stabil und sehr schwierig ist zu zerstören, schwerer Wasserstoff nur geringfügig stabil und leicht ist zu zerstören. Weil Helium 4 sehr stabil ist, gibt es eine starke Tendenz seitens zwei Kerne des schweren Wasserstoffs, um sich zu verbinden, um Helium 4 zu bilden. Der einzige Grund BBN wandelt den ganzen schweren Wasserstoff im Weltall zu Helium 4 nicht um, besteht darin, dass die Vergrößerung des Weltalls das Weltall abgekühlt hat und diese Konvertierung unterbrochen hat, bevor es vollendet werden konnte. Eine Folge davon ist, dass verschieden von Helium 4 der Betrag von schwerem Wasserstoff zu anfänglichen Bedingungen sehr empfindlich ist. Je dichter das Weltall ist, desto mehr schwerer Wasserstoff zu Helium 4 umgewandelt wird, bevor Zeit ausgeht, und weniger schwerer Wasserstoff bleibt.

Es gibt keine bekannten Posturknall-Prozesse, die bedeutende Beträge von schwerem Wasserstoff erzeugen würden. Folglich weisen Beobachtungen über den Überfluss des schweren Wasserstoffs darauf hin, dass das Weltall ziemlich begrenzt alt ist, der in Übereinstimmung mit der Urknall-Theorie ist.

Während der 1970er Jahre gab es Hauptanstrengungen, Prozesse zu finden, die schweren Wasserstoff erzeugen konnten, der sich erwiesen hat, eine Weise zu sein, Isotope außer schwerem Wasserstoff zu erzeugen. Das Problem bestand darin, dass, während die Konzentration von schwerem Wasserstoff im Weltall mit dem Urknall-Modell als Ganzes im Einklang stehend ist, es zu hoch ist, um mit einem Modell im Einklang stehend zu sein, das wagt, dass der grösste Teil des Weltalls aus Protonen und Neutronen besteht. Wenn man annimmt, dass das ganze Weltall aus Protonen und Neutronen besteht, ist die Dichte des Weltalls solch, dass viel von zurzeit beobachtetem schwerem Wasserstoff in Helium 4 verbrannt worden sein würde.

Diese Widersprüchlichkeit zwischen Beobachtungen von schwerem Wasserstoff und Beobachtungen der Wachstumsrate des Weltalls hat zu einer großen Anstrengung geführt, Prozesse zu finden, die schweren Wasserstoff erzeugen konnten. Nach einem Jahrzehnt der Anstrengung bestand die Einigkeit darin, dass diese Prozesse unwahrscheinlich sind, und die für den Überfluss an schwerem Wasserstoff jetzt verwendete Standarderklärung darin besteht, dass das Weltall größtenteils aus baryons nicht besteht, und dass non-baryonic Sache (auch bekannt als dunkle Sache) den grössten Teil der Sache-Masse des Weltalls zusammensetzen. Diese Erklärung ist auch mit Berechnungen im Einklang stehend, die zeigen, dass ein Weltall gemacht größtenteils aus Protonen und Neutronen viel mehr clumpy sein würde, als es beobachtet wird.

Es ist sehr hart, einen anderen Prozess zu präsentieren, der schweren Wasserstoff über die Kernfusion erzeugen würde. Was dieser Prozess verlangen würde, ist, dass die Temperatur heiß genug ist, um schweren Wasserstoff, aber nicht heiß genug zu erzeugen, um Helium 4 zu erzeugen, und dass sich dieser Prozess sofort zu Temperaturen ohne Atomwaffen danach nicht mehr als ein paar Minuten beruhigt. Außerdem ist es für den schweren Wasserstoff notwendig, fortgekehrt zu werden, bevor es wiedervorkommt.

Das Produzieren von schwerem Wasserstoff durch die Spaltung ist auch schwierig. Das Problem hier besteht wieder darin, dass schwerer Wasserstoff Kernprozessen sehr unterworfen ist, und dass Kollisionen zwischen Atomkernen wahrscheinlich entweder in der Absorption der Kerne, oder in der Ausgabe von freien Neutronen oder Alphateilchen resultieren werden. Während der 1970er Jahre wurden Versuche gemacht, kosmischen Strahl spallation zu verwenden, um schweren Wasserstoff zu erzeugen. Diese Versuche haben gescheitert, schweren Wasserstoff zu erzeugen, aber haben wirklich andere leichte Elemente unerwartet erzeugt.

Maße und Status der Theorie

Die Theorie von BBN gibt eine ausführliche mathematische Beschreibung der Produktion des leichten schweren "Element"-Wasserstoffs, Heliums 3, Helium 4, und Lithium 7. Spezifisch gibt die Theorie genaue quantitative Vorhersagen für die Mischung dieser Elemente, d. h. des primordialen Überflusses nach.

Um diese Vorhersagen zu prüfen, ist es notwendig, den primordialen Überfluss so treu wieder aufzubauen, wie möglich, zum Beispiel durch das Beobachten astronomischer Gegenstände, in denen sehr wenig stellarer nucleosynthesis (wie bestimmte Zwergmilchstraßen) oder durch das Beobachten von Gegenständen stattgefunden hat, die sehr weit weg sind, und so in einer sehr frühen Bühne ihrer Evolution (wie entfernte Quasare) gesehen werden können.

Wie bemerkt, oben, im Standardbild von BBN, hängt der ganze leichte Element-Überfluss vom Betrag der gewöhnlichen Sache (baryons) hinsichtlich der Radiation (Fotonen) ab. Da, wie man wagt, das Weltall homogen ist, hat es einen einzigartigen Wert des baryon zu Foton Verhältnisses. Seit langem hat das bedeutet, dass, um BBN Theorie gegen Beobachtungen zu prüfen, man fragen musste: Können alle leichten Element-Beobachtungen, mit einem einzelnen Wert des baryon zu Foton Verhältnisses erklärt werden? Oder genauer, die begrenzte Präzision sowohl der Vorhersagen als auch der Beobachtungen berücksichtigend, fragt man: Gibt es eine Reihe von Werten des baryon zu Foton die können für alle Beobachtungen verantwortlich sein?

Mehr kürzlich hat sich die Frage geändert: Präzisionsbeobachtungen der kosmischen Mikrowellenhintergrundradiation mit Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) geben einen unabhängigen Wert für das baryon zu Foton Verhältnis. Mit diesem Wert, sind die BBN Vorhersagen für den Überfluss an leichten Elementen in Übereinstimmung mit den Beobachtungen?

Das gegenwärtige Maß von Helium 4 zeigt gute Abmachung, und noch bessere Abmachung für Helium 3 an. Aber für Lithium 7 gibt es eine bedeutende Diskrepanz zwischen BBN und WMAP, und der Überfluss ist auf Bevölkerung II Sterne zurückzuführen gewesen. Die Diskrepanz ist ein Faktor 2.44.3. und wird als ein Problem für die ursprünglichen Modelle betrachtet, die auf revidierte Berechnungen des normalen BBN hinausgelaufen sind, der auf neuen Kerndaten, und zu verschiedenen Vorschlägen der neuen Abschätzung für das primordiale Protonenproton Kernreaktionen, besonders die Intensitäten gestützt ist (n, p) Li Sein, gegen (d, p) Sein, Sein.

Sonderdrehbücher

Zusätzlich zum BBN Standarddrehbuch gibt es zahlreiche BBN Sonderdrehbücher. Diese sollten mit der Sonderkosmologie nicht verwirrt sein: Ein BBN Sonderdrehbuch nimmt an, dass der Urknall vorgekommen ist, aber zusätzliche Physik einfügt, um zu sehen, wie das elementaren Überfluss betrifft. Diese Stücke der zusätzlichen Physik schließen das Entspannen oder Entfernen der Annahme der Gleichartigkeit oder des Einfügens neuer Partikeln wie massiver neutrinos ein.

Es hat gegeben und setzt fort, verschiedene Gründe dafür zu sein, umgangssprachlichen BBN zu erforschen. Das erste, das größtenteils vom historischen Interesse ist, ist, Widersprüchlichkeiten zwischen BBN Vorhersagen und Beobachtungen aufzulösen. Das hat sich erwiesen, der beschränkten Nützlichkeit darin zu sein, die Widersprüchlichkeiten wurden durch bessere Beobachtungen aufgelöst, und in den meisten Fällen, die versuchen, BBN zu ändern, ist auf Überfluss hinausgelaufen, der mit Beobachtungen aber nicht weniger inkonsequenter war. Das zweite, das größtenteils der Fokus von umgangssprachlichem BBN am Anfang des 21. Jahrhunderts ist, soll BBN verwenden, um Grenzen auf der unbekannten oder spekulativen Physik zu legen. Zum Beispiel nimmt normaler BBN an, dass keine exotischen hypothetischen Partikeln an BBN beteiligt wurden. Man kann eine hypothetische Partikel (wie ein massives Neutrino) einfügen und sehen, was geschehen muss, bevor BBN Überfluss voraussagt, der von Beobachtungen sehr verschieden ist. Das ist nützlich getan worden, um Grenzen auf die Masse eines stabilen tau Neutrinos zu stellen.

Siehe auch

• Nucleosynthesis
• Stellarer nucleosynthesis
• Äußerstes Schicksal des Weltalls

Links

Für ein allgemeines Publikum

• Weiß, Martin: Übersicht von BBN
• Wright, Ned: BBN (Kosmologie-Tutorenkurs)
• Urknall nucleosynthesis auf arxiv.org

Technische Artikel

• Bericht - nein: FERMILAB-Bar 00 239 ein
• Jedamzik, Karsten, "Sonderurknall Nucleosynthesis Drehbücher". Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching.
• Steigman, Gary, Primordialer Nucleosynthesis: Erfolge Und Herausforderungen; forensische Kosmologie: Untersuchung Baryons und Neutrinos Mit BBN und dem CBR; und Urknall Nucleosynthesis: Untersuchung der Ersten 20 Minuten
• R. A. Alpher, H. A. Bethe, G. Gamow, Der Ursprung von Chemischen Elementen, Physische Rezension 73 (1948), 803. Das so genannte αβγ Papier, in dem Alpher und Gamow vorgeschlagen haben, dass die leichten Elemente durch Wasserstoffionen geschaffen wurden, Neutronen im heißen, dichten frühen Weltall gewinnend. Der Name von Bethe wurde für die Symmetrie hinzugefügt
• G. Gamow, Der Ursprung von Elementen und die Trennung von Milchstraßen, Physische Rezension 74 (1948), 505. Diese zwei 1948-Papiere von Gamow haben das Fundament für unser gegenwärtiges Verstehen des Urknalls nucleosynthesis gelegt
• G. Gamow, Natur 162 (1948), 680
• R. A. Alpher, "Eine Neutronfestnahme-Theorie der Bildung und Verhältnisüberfluss an den Elementen," Physische Rezension 74 (1948), 1737
• R. A. Alpher und R. Herman, "Auf dem Verhältnisüberfluss an den Elementen," Physische Rezension 74 (1948), 1577. Dieses Papier enthält die erste Schätzung der gegenwärtigen Temperatur des Weltalls
• R. A. Alpher, R. Herman und G. Gamow Nature 162 (1948), 774
• Javanische Urknall-Element-Überfluss-Rechenmaschine