Tại sao Big Bang không sản xuất các nguyên tố nặng hơn?

Ngay sau Vụ nổ lớn, nhiệt độ được làm mát từ nhiệt độ Planck. Khi nhiệt độ hạ xuống mức 116 gigakel, quá trình tổng hợp hạt nhân đã diễn ra và helium, lithium và một lượng các nguyên tố khác được tạo ra.

Tuy nhiên, nếu nhiệt độ quá cao ngay sau Vụ nổ lớn, tại sao các nguyên tố nặng hơn lại không được sản xuất? 116 gigakelvins rõ ràng là vượt xa nhiệt độ cần thiết cho các nguyên tố như carbon và oxy để hợp nhất. Ngoài ra, không phải hầu hết các proton ở nhiệt độ đó đã hợp nhất, khiến Vũ trụ có các nguyên tố nặng hơn?

Tôi nghĩ rằng quá trình suy nghĩ của bạn là thiếu sót ở chỗ bạn cho rằng bằng cách tăng mạnh nhiệt độ, bạn được đảm bảo có được các yếu tố nặng. Nghe có vẻ kỳ lạ, nhưng đây không phải là trường hợp (đặc biệt là trong quá trình tổng hợp hạt nhân Big Bang (BBN)) vì một vài lý do. Trên thực tế, nếu bạn lấy một ngôi sao chỉ có hydro và biến nó thành siêu tân tinh, bạn sẽ không nhận được các nguyên tố nặng như bạn thấy trong các ngôi sao hiện tại sẽ trở thành siêu tân tinh.

Thời báo BBN

Một điểm quan trọng cần xem xét là kỷ nguyên BBN được tính toán chỉ dài ~ 20 phút. Đó không thực sự là nhiều thời gian để hình thành các yếu tố. Chắc chắn, siêu tân tinh xảy ra trong nháy mắt tức thời, nhưng có những thứ khác đang diễn ra ở đó, mà tôi sẽ nhận được trong một giây. Điểm chính ở đây là việc nung chảy mất thời gian và 20 phút không phải là nhiều thời gian để tạo thành các yếu tố nặng.

Deuterium

Để có được các yếu tố nặng, bạn cần xây dựng theo chúng. Bạn không thể đập vỡ 50 proton và 50 neutron và lấy thiếc. Vì vậy, bước đầu tiên là đập vỡ một proton và neutron để lấy deuterium, nhưng ở đây bạn đã gặp phải một vấn đề được gọi là nút cổ chai deuterium. Hóa ra, nhiệt độ khổng lồ thực sự (và có phần trái ngược) cản trở việc tạo ra deuterium. Điều này chủ yếu là do deuteron cuối cùng sẽ có rất nhiều năng lượng nên nó sẽ có thể vượt qua năng lượng liên kết (và deuterium có năng lượng liên kết khá thấp là chỉ có hai nucleon) và có khả năng sẽ vỡ ra một lần nữa. Tất nhiên, với mật độ và nhiệt độ, bạn vẫn có thể nhận được một lượng deuterium tốt chỉ bằng sức mạnh của ý chí, nhưng không nhiều và không theo tỷ lệ bạn mong đợi. Một điểm khác làm cho deuterium hình thành ít thường xuyên hơn mà bạn mong đợi một cách ngớ ngẩn là tỷ lệ proton so với neutron trước BBN là khoảng 7: 1 do proton được tạo thuận lợi hơn vì nó có khối lượng thấp hơn một chút. Vì vậy, 6 trong số 7 proton không có neutron tương ứng để kết hợp với và phải chờ deuterium hình thành trước khi nó có thể kết hợp với bất cứ thứ gì.

Tritium, Helium, Lithium, Ôi trời!

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

Đến Boron và xa hơn

Nhưng bây giờ, một lần nữa bạn lại gặp phải một nút cổ chai, và một điều nghiêm trọng hơn là nút cổ chai deuterium. Bạn không thể dễ dàng chuyển sang các yếu tố nặng hơn với những gì bạn có trong tay. Chuỗi hợp hạch tiếp theo, và cách các ngôi sao thực hiện nó, là quá trình triple-alpha giúp hình thành carbon nhưng để thực hiện chuỗi này và tạo ra đủ carbon, bạn cần rất nhiều thời gian. Và chúng tôi chỉ có 20 phút! Không có thời gian để tạo thành carbon, chúng ta cần phải tiến hành theo chu trình tổng hợp. Như tôi đã gợi ý lúc đầu, các ngôi sao hydro tinh khiết cũng sẽ không tạo ra các nguyên tố nặng trên siêu tân tinh vì lý do này. Bây giờ họ có thể sản xuất các nguyên tố nặng vì họ đã có hàng tỷ năm trước khi sự kiện SN của họ tạo ra một lượng carbon, nitơ, oxy, ... có thể hỗ trợ cho các quá trình hợp nhất nguyên tố nặng.

$\mathrm{He}$$\mathrm{Li}$$^{112}\mathrm{Sn}$(đó là thiếc với 62 neutron), khá nhỏ. Hơn thế nữa, bạn thậm chí không thể cố gắng bỏ qua carbon bằng cách làm cho một cái gì đó hơi nặng hơn hoặc tạo thành một thứ gì đó trung gian giữa lithium và carbon. Một lần nữa, điều này là do vấn đề ổn định. Vì vậy, không có lựa chọn nào khác, bạn phải bắn carbon sau lithium, và như đã nêu ở trên, bạn không có thời gian cho việc đó.

TL; DR

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